弱离心力在湍流旋转热对流中的作用

《Journal of Fluid Mechanics》：Effects of weak centrifugal force in turbulent rotating thermal convection

离心力对湍流旋转热对流系统的影响研究表明，弱离心力显著改变长期平均整体流场但对瞬时场影响小，且侧壁边界流场受其明显调控。临界弗劳德数与雷利数满足0.55次方关系，通过局部力平衡机制解释，成功解出涉及三个未知局部尺度的粘性-阿基米德-科里奥利作用平衡。

　　

摘要

这项实验研究旨在阐明微弱的离心力如何以及何时影响湍流旋转热对流系统。对于整体流动而言，微弱的离心力对长时间平均流场有显著影响，而对其瞬时流场的影响则可以忽略不计。对于侧壁流动，研究发现边界纬向流动的特性会受到微弱离心力的明显影响。表明微弱离心力开始起作用的弗劳德数（$\textit{Fr}_c^{\textit{local}}$）与瑞利数（$Ra$）之间存在比例关系，其关系为 $\textit{Fr}_c^{\textit{local}}\sim Ra^{0.55}$，这一关系在大约两个半数量级的瑞利数范围内成立。这种稳健的比例关系可以通过局部力平衡机制来解释，该机制涉及三个未知的局部尺度。借助粘性-阿基米德-科里奥利理论以及实验数据，这些局部尺度被成功确定，从而得出了与0.55比例关系一致的结果。

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脚注

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Y.B.H.和L.S.对这项工作做出了同等贡献。

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