恒定热通量驱动湍流对流中的超米粒聚合

自然界中的湍流对流过程常表现为羽流结构和流型的层级组织。本文在展弦比为 $60$ 的三维湍流瑞利-贝纳尔对流的谱元法直接数值模拟中，报道并分析了对流胞或米粒逐渐聚合成超米粒并最终填满整个水平层的过程。在可达的最大瑞利数下，该形成过程持续超过 $10^4$ 个对流时间单位，且仅在湍流由施加于对流层上下边界的恒定热通量驱动时才发生。对于温度方差和湍流动能，均观察到这种逐渐的反级联过程。对高维相空间中完整湍流轨迹的主导李雅普诺夫向量场的附加分析表明，特定尺度的湍流模态在湍流情形下持续在局部产生波长更长的模态。因此， successively larger convection patterns grow until the horizontal extension of the layer is reached. 这种在恒定热通量驱动对流临界 onset 附近已知存在的失稳机制，本文证明其在充分发展的湍流 regime 中依然持续，从而将弱非线性图样形成与充分发展湍流中的图样形成联系起来。我们讨论了本研究对观测到但尚未被数值一致复现的太阳超米粒组织的可能启示，这有望改进太阳表面对流的模拟模型。