具有混合温度边界条件的对流动力学：热弛豫为何重要及如何加速它
流体动力学
2020-09-15 v3 太阳与恒星天体物理
摘要
对流的天体物理模拟经常在区域顶部和底部施加不同的热边界条件，以努力更精确地建模自然系统。在本工作中，我们研究 Boussinesq 近似下的瑞利-贝纳尔对流（RBC）。我们考察具有混合温度边界条件的模拟，其中底部边界通量固定、顶部温度固定（“FT”）。我们旨在理解与传统的热边界选择（顶部和底部温度均固定，即“TT”）相比，FT 边界如何改变对流解的性质。我们证明 FT 模拟的热弛豫时间尺度依赖于初始条件。采用流体静力与热平衡的线性温度剖面的“经典”初始条件会表现出长时间的热弛豫。在使用 TT 模拟的非线性态作为初始条件的 FT 模拟（“TT-to-FT”）中则未见到这种长弛豫。在热弛豫的、统计定常态中，FT 模拟的平均行为对应于具有 TT 边界的等价模拟，并且如努塞尔数和佩克莱数等时间与体积平均的流动统计量在 FT 与 TT 模拟间不可区分。FT 边界本质上是非对称的，我们考察这些边界在流动中产生的非对称性。我们发现固定通量边界比固定温度边界产生更极端的温度事件。然而，这些近边界非对称性并未可测量地打破对流内部的对称性。我们简要探索旋转 RBC，以证明我们关于热弛豫的发现可延续到这一更复杂情形，并展示 TT-to-FT 初始条件的威力。
引用
@article{arxiv.2003.00026,
title = {Convective dynamics with mixed temperature boundary conditions: why thermal relaxation matters and how to accelerate it},
author = {Evan H. Anders and Geoffrey M. Vasil and Benjamin P. Brown and Lydia Korre},
journal= {arXiv preprint arXiv:2003.00026},
year = {2020}
}
备注
Published open access in Physical Review Fluids. The arXiv v3 appears roughly as published, but the published version is better proofread