受限瑞利-贝纳对流中液态金属的异常热行为

《Journal of Fluid Mechanics》：Anomalous thermal behaviour of liquid metals in confined Rayleigh–Bénard convection

　　**摘要**本研究通过直接数值模拟考察了受限液态金属瑞利-贝纳对流中的异常热输运现象，雷利数范围为 $Ra \in [10^5, 10^8]$。研究引入了一种现象学混合模型，以完整描述从近壁边界层到非单调核心区的转变过程，并表明体区内平均温度梯度的反向出现源于动态热斑团的空间组织结构。对于温度涨落，对温度标准差剖面（$\sigma_T$）的空间特征分析揭示了独特的双峰结构，在远离壁面的区域出现次级峰值。通过改变横向受限条件，发现无滑移侧壁约束了角涡的发展，将其重新组织为相干的类螺旋进动形态。这种三维流场拓扑结构诱发了剧烈的横向速度涨落，与边界层热羽流向核心区的输运和俘获相关，从而支持了异常近核心 $\sigma_T$ 峰值的形成。在所考察的最大雷利数下，湍流混合和大规模环流的增强削弱了这种相干角涡活动，导致双峰特征的衰减。此外，我们表明这种准二维受限条件改变了宏观热输运标度律，产生了比经典预测更陡的有效指数（$Nu \sim Ra^{0.332}$），该现象与热羽流的形态凝聚密切相关。