$\Gamma=1/2$ 旋转瑞利 - 贝纳德流中大尺度风的破裂

圆柱形样品中旋转瑞利 - 贝纳德对流的实验和模拟表明，随着旋转速率的增加，热输运增强。这种热输运增强与湍流结构从由大尺度环流（LSC，即单个对流卷）主导的机制（在无旋转或弱旋转时）向由强旋转下垂直对齐涡旋主导的机制的转变密切相关。对于长径比 $\Gamma = D/L = 1$（$D$ 为样品直径，$L$ 为高度）的样品，两个机制之间的转变表现为 LSC 强度的显著下降。相比之下，对于 $\Gamma = 1/2$，Weiss 和 Ahlers [J. Fluid Mech. {\bf{688}}, 461 (2011)] 揭示了在临界旋转速率之外存在类似 LSC 的侧壁温度特征。他们推测这可能是由于形成了双涡旋态，其中一个涡旋从底部垂直延伸至样品内部并带起暖流体，而另一个涡旋从顶部带下冷流体；这种流场会产生与 LSC 相似的侧壁温度特征。在此，我们通过针对 $\Gamma= 1/2$ 且参数允许与实验直接比较的直接数值模拟表明，对流胞中垂直对齐涡旋结构的空间组织确实（对时间平均而言）产生了侧壁附近温度的正弦变化，这与实验发现一致。这也是与 $\Gamma=1$ 样品的本质且非平凡的区别，在后者中垂直对齐的涡旋是随机分布的。