展向非均匀表面对湍流槽道内混合对流的影响

采用直接数值模拟研究了具有非均匀表面的槽道流中的湍流混合对流。表征浮力与剪切效应相对重要性的整体 Richardson 数 $Ri_b$ 被改变，以覆盖强制对流、混合对流与自然对流的流态，这些流态与不同的大尺度流动组织相关联。非均匀表面由流向对齐的脊状结构组成，已知其在强制对流情况下会诱发二次运动。在光滑壁混合对流条件下出现的大尺度流向涡卷受到非均匀表面的显著影响，且在密集脊间距下其出现被大幅削弱。研究发现，由于脊状结构引起的附加阻力，这些涡卷的形成需要比光滑壁更大的浮力。因此，对于展向非均匀表面，从强制对流结构到涡卷的转捩被推迟至更大的 $Ri_b$。非均匀表面对混合对流流动组织的影响在涡卷到胞状的转捩区间尤为明显，其中脊状结构有利于在显著更低的 $Ri_b$ 下转捩为对流胞。此外，观察到随着脊间距减小，对流胞与脊垂直排列。我们将这种重组归因于平行于脊的流动比横跨脊的流动经历更小阻力，这在能量上更有利。此外，我们发现当脊间距约为涡卷宽度量级时，在 $Ri_b=1$ 和 $Ri_b=3.2$ 下流向涡卷表现出极慢的动力学特征。对于这些情形，涡卷的上升与下沉气流缓慢地横穿整个槽道，而非如光滑壁情形中所观察到的被固定于空间中。