中等到高普朗特数流体中的旋转对流湍流
流体动力学
2023-11-08 v1 地球物理
摘要
旋转对流湍流普遍存在于地球物理环境中，如表面与次表面海洋、行星大气、熔融金属行星核、岩浆房和岩浆洋。根据系统的热学和材料性质，浮力对流可由热或成分驱动，其中普朗特数（）定义系统的特征扩散性质， 表示热扩散， 表示化学扩散。这些数值对地球物理系统差异很大；例如，地核中发生热-成分对流的液态铁由 和 定义，而热驱动的液态硅酸盐岩浆洋由 定义。目前，大多数旋转对流流场的数值和实验数据存在于 ；与成分驱动核流及其他系统相关的高 旋转对流研究较少。在此，我们通过开展在一系列 值下进行的广泛旋转对流实验来弥补这一不足，采用水与三种不同硅油作为工作流体（ 6、41、206 和 993）。利用流动速度（雷诺数，）和传热效率（努塞尔数，）的测量，发现斜压扭矩平衡可描述湍流而与普朗特数无关，只要 足够大（）。估计的湍流尺度在所有实验中均接近临界尺度，这一结果或可外推至行星环境。最后，我们利用数据构建了依赖于 的预测性无量纲和量纲标度关系，用于旋转对流速度，可广泛应用于各类地球物理流体动力学环境。
引用
@article{arxiv.2311.03495,
title = {Rotating convective turbulence in moderate to high Prandtl number fluids},
author = {Jewel A. Abbate and Jonathan M. Aurnou},
journal= {arXiv preprint arXiv:2311.03495},
year = {2023}
}