旋转细长单元中的湍流对流

在太阳和地球内部的湍流对流中，Rayleigh数 $Ra$ 较大、Prandtl数 $Pr$ 较小且旋转速率不同。为更好地理解这些因素的综合影响，本文研究了 $Pr = 0.021$（对应某些实验室液态金属数据）的情况，并通过变动 Rossby 数 $Ro$ 的方式，使用在纤维柱（纵横比为 0.1）中进行的直接数值模拟 (DNS)。这种约束允许我们达到足够大的 Rayleigh 数。我们受前述在无旋转情况下，高足够大的 $Ra$ 下，受限域与扩张域中热传递相似的发现启发。我们与更高纵横比的数据进行了比较。我们研究了旋转对总体热量和动量传递以及流动结构的影响，包括：(a) 在若干固定 $Ra$ 值处的不同旋转程度；(b) 在固定、较低的 Ekman 数 $1.45 \times 10^{-6}$ 下，随 $Ra$ 增加（最高至 $10^{10}$）的情形。我们将结果与相同 $Ra$ 和 $Ro$ 范围内的 $Pr = 1$ 模拟结果以及相同 $Ra$ 和低 $Pr$ 下的非旋转情况进行比较。我们发现，随着 $Ra$ 的增大，旋转的影响会逐渐减弱。这些结果和比较研究表明，对于足够大的 $Ra$，旋转对小和大纵横比的对流流动的影响相似，因此可通过考虑细长域来获得关于高热力强迫对对流影响的有益见解。