湍流剪切流中由熔融与凝固生成的地形

我们报告了一项理想化的数值研究，研究的是与受浮力影响的湍流剪切流相邻的熔融与凝固固体，以提高我们对环境中相变生成地形的理解。我们使用相场方法将固体的热传导方程与流体的 Navier-Stokes 方程进行动态耦合。我们研究了位于压力驱动湍流之上、初始平坦且水平的固体边界的演化。我们假设流体具有线性状态方程，并改变热膨胀系数的符号，使得背景密度分层分别为稳定、中性或不稳定。我们发现，与平均流动方向一致的通道是由流体-固体界面处的相变自发产生的。流体中的流向涡、界面地形和固体中的温度场相互影响并不断调整，直到达到统计稳态。在所有情况下，通道的波峰至波谷幅度均大于约 10$\delta_{\nu}$，其中 $\delta_{\nu}$ 为粘性长度尺度，但对于不稳定分层，其幅度远大于中性或稳定分层，且持续时间更长。这是因为稳定分层使冷的熔融流体变得具有浮力，从而保护通道免受进一步熔融，而不稳定分层使冷的熔融流体下沉，通过上升的热羽流引发进一步熔融。我们研究了流速和熔融速率的统计特性，发现模拟中出现的通道和龙骨并未显著改变平均阻力系数。