对流中共轭热传递对大尺度流动结构的影响

恒定温度与恒定热流热边界条件分别代表了 Rayleigh-Bénard 对流 (RBC) 流动中理想导热板与绝热板的极限情形，两者发展出截然不同的流型。本研究通过共轭热传递 (CHT) 设置填补了两者之间的空白，并研究有限热扩散率比 $\kapparatioIL$ 以更好地表征实验中的真实条件。在 Prandtl 数 $\Pr=1$ 下，通过直接数值模拟研究了一个包含两块流体约束板的三维 RBC 构型。高度为 $H$、水平延展为 $L$ 的流体层在两个固-流界面处满足无滑移边界条件，其纵横比为 $\Gamma=L/H=30$，而每块板的相对厚度为 $\Gs=H_s/H=15$。整个区域在水平方向上为周期性边界。本文在中等 Rayleigh 数 $\Ra=\left\{ 10^4, 10^5 \right\}$ 下研究了不同的 $\kapparatioIL$。我们观察到，随着 $\kapparatioIL$ 的变化，特征流型的大小及其诱导的热与质量传递发生渐进偏移，这表明最近分别在恒定温度与恒定热流边界条件下研究的湍流超结构与超颗粒之间存在关联。对该 CHT 构型进行线性稳定性分析在理论上证实了这些观察，同时通过研究固体板厚度 $\Gs$ 变化的影响扩展了先前的工作。此外，我们研究了 $\kapparatioIL$ 对热边界层与粘性边界层的影响。鉴于自然界中有限 $\kapparatioIL$ 的普遍性，这项工作是拓展我们对地球与天体物理对流流动中斑图形成理解的起点。