旋转肥皂泡热对流能量耗散与边界层特性的数值模拟

作者：贺啸秋; 熊永亮^*; 彭泽瑞; 徐顺

来源：Acta Physica Sinica, 2022, 71(20): 174-192.

• 肥皂泡
• 湍流热对流
• 能量耗散率
• 边界层

将底部加热的半个肥皂泡作为一个新的热对流模型,结合了肥皂泡固有的球面与准二维特征,由此有助于理解行星大气流动中的复杂物理机制与热对流特性.本文使用直接数值模拟方法计算了旋转肥皂泡上的湍流热对流,研究了肥皂泡上的温度与黏性边界层以及拟热能和动能耗散规律.结合肥皂泡上温度场与速度场特征,分别根据温度脉动均方根最大值以及速度脉动边界处斜率延长线与最大值交点提出了肥皂泡上温度与黏性边界层的识别方法.研究发现,当肥皂泡从边界吸收能量时,拟热能耗散与动能耗散均集中在边界层中,肥皂泡上的温度边界层与黏性边界层厚度与瑞利数Ra存在明确的标度关系.相比经典Rayleigh-Bénrad对流(RB对流)模型,温度标度指数具有较为接近的结果,但速度标度指数存在一定的差异.此外,在混合区,均方根温度(T*)随纬度(θ)具有近似T*～θ0.5的标度关系,这与RB对流模型及其相应的理论预测一致.最后通过能量平衡方程发现,肥皂泡上拟热能内耗散率ε0/T和动能内耗散率ε0/u比拟热能外耗散率ε1/T和动能外耗散率ε1/u大1个量级,拟热能与动能的内部耗散率在边界层中具有支配地位,随着肥皂泡旋转速率的增加,热羽流难以输运到高纬度地区,进一步降低了拟热能与动能外耗散率的影响.

• 单位
  华中科技大学; 航天学院