罗嘉辉+包芸

摘要：提出二维湍流热对流DNS模拟的并行直接求解方法（Parallel Direct Method of DNS，PDM-DNs），在“天河二号”超级计算机上实现高Ra和极高Ra湍流热对流大规模DNs计算。高分辨率的湍流热对流计算结果表明不同Ra（10³≤Ra≤10¹³）的瞬时温度场的流场特性完全不同。较低Ra流场中有明显的大尺度环流和角涡；较高Ra流场中羽流运动充满随机性；更高Ra流场出现小尺寸漩涡并不断从上下底板产生，这些涡相互影响作用，随大尺度环流一起作绕行运动。二维湍流热对流的Nu与Ra存在标度关系，标度律约为0.3。

关键词：Rayleigh-B6nard热对流；湍流；PDM-DNS；并行计算；极高Ra；羽流形态

中图分类号：0357.53 文献标志码：B

0引言

热对流广泛存在于自然界和工业生产中，研究热对流现象对天体物理、海洋环流、全球气候变化、工业冷却设计、反应堆设计等科学研究具有重要意义。Rayleigh-Benard（RB）对流系统是研究对流问题的经典物理和流体力学模型，是近年来物理学和流体力学研究领域的热门研究课题之一。热对流研究中的重要参数Ra（瑞利数），与研究对象的几何高度的3次方成正比，所以自然界中的对流现象大都具有极高的Ra。自从KRAICHNANt在1962年提出极高Ra时热对流随Ra的变化特性将进入“终极区间”的理论后，学者们一直都在寻找其存在的证据以及“终极区间”的起始临界Ra即Ra*。热对流研究中著名的GL理论预言认为，RB对流的特性将在Ra*=O（10¹⁴）时发生根本变化，流动将从湍流状态进入“终极状态”。到目前为止，RB对流实验研究的Ra几乎都在Ra*之下。发现极高Ra对流系统的“终极状态”并对其物理和流动特性进行研究，仍是该领域内的一个热点问题和巨大挑战。……