双扩散对流中的湍流混合与层形成：三维数值模拟与理论

双扩散对流（在天体物理学中常被称为半对流）发生在热和成分分层系统中，这些系统根据Ledoux判据是稳定的，但根据Schwarzschild判据是不稳定的。到目前为止，这一过程受到的关注相对较少，其性质仍缺乏约束。在本文中，我们在Boussinesq近似下，在笛卡尔域中呈现并分析了一组该现象的三维模拟。我们发现，在某些情况下，双扩散对流饱和为均匀湍流状态，但其湍流通量比直接翻转对流预期的通量小几个数量级。在其他情况下，系统迅速且自发地发展出紧密堆积的热-成分层，这些层随后依次合并，直到只剩下一个单层。我们将模拟结果与海洋学背景下现有的层形成理论进行了比较，发现模型与我们的结果之间吻合得很好。在层形成过程中，热和成分混合速率显著增加，并且每次合并后进一步增加。我们发现，通过阶梯状结构的热通量是层高的简单函数。最后，我们提出了一种研究天体物理学中双扩散对流输运的新方法。