沸腾湍流 Rayleigh-Bénard 对流中的热输运

沸腾是一种将热量从热表面传递到液体的极其有效的方式，其涉及多种机制，其中许多机制尚未在定量细节上被完全理解。整个过程的一个重要组成部分是气泡的浮力与液体的浮力叠加，从而产生显著增强的自然对流。本文专门关注这种增强效应，并对由此产生的两相 Rayleigh-Bénard 对流过程进行数值研究。我们不尝试模拟沸腾过程的其他方面，如气泡成核和脱离。我们考虑一个直径等于高度的圆柱形容器。容器底部和顶部分别保持在高于和低于液体沸点的温度。通过保持温差恒定并改变液体压力，我们在瑞利数范围为 $2\times10^6$ 至 $5\times10^9$（若无沸腾时）的条件下，研究了液体过热度的影响。我们发现热输运有显著增强，并研究了其对气泡数量、热容器底部过热度程度以及瑞利数的依赖性。气泡提供的增加浮力导致更多高能热羽流从热容器底部脱离，因此容器内的环流强度显著增加。我们的结果与 Zhong 等人近期关于沸腾 Rayleigh-Bénard 对流的实验结果 (Phys. Rev. Lett. {\bf 102}, 124501 (2009)) 总体一致。