垂直加热管中湍流和行波的抑制

浮力可以抑制管道中流体流动的湍流。由于湍流的抑制会导致严重的传热恶化，这在加热和冷却应用中都是一个重要且不希望出现的现象。通常考虑垂直流动，因为轴向浮力有助于驱动流动。通过浮力参数 $C$ 衡量加热程度，我们的直接数值模拟(DNS)表明，剪切驱动的湍流要么完全层流化，要么转变为相对静止的对流驱动状态。浮力导致基流剖面变平，在等温管道流中，这最近与湍流的完全抑制相关联(K\"{u}hnen 等, Nat. Phys., 2018)，而变平的层流基剖面具有增强的非线性稳定性(Marensi 等, JFM, 2019)。与这些发现一致，本文分析的非线性下支行波解（被认为在等温管道流中调节向湍流的转变）被证明受到浮力的抑制。在所考虑的雷诺数范围内，当 $C\gtrsim 4$ 时，层流基流的线性不稳定性导致了相对静止的对流驱动状态的出现。然而，在湍流抑制（即从湍流转变）中，我们发现与 He 等人(JFM, 2016)的分析关联更清晰，而非上述描述向湍流转变更好的动力系统方法。He 等人提出的基于流动驱动压力梯度测量的表观雷诺数的层流化准则，能够捕捉到临界 $C=C_{cr}(Re)$，超过该值流动将层流化或转变为对流驱动类型。我们的分析表明，对于层流化，弱化的滚轴（而非条纹）似乎是关键。