Low-Prandtl-number effects on global and local statistics in two-dimensional Rayleigh–Bénard convection

物理 普朗特数 努塞尔数 湍流 瑞利-贝纳德对流 雷诺数 对流 瑞利数 均分定理 湍流普朗特数 热力学 自然对流 量子力学 磁场
作者
Yang Zhang,Quan Zhou
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (1) 被引量:34
标识
DOI:10.1063/5.0175011
摘要

We present global and local statistical properties of turbulent Rayleigh–Bénard (RB) convection at low Prandtl numbers in this work. A series of high resolution two-dimensional (2D) direct numerical simulations are carried out in a square box for the Prandtl number ranges 0.005≤Pr≤0.07 and 0.01≤Pr≤0.15 at Rayleigh numbers Ra=107 and Ra=108, respectively. The global heat and momentum transport expressed as Nusselt number Nu and Reynolds number Re are found to scale as Nu∼Pr0.14 and Re∼Pr−0.82 for Ra=107, and Nu∼Pr0.11Re∼Pr−0.93 for Ra=108. The local velocity fluctuation at the cell center shows larger amplitudes at lowered Pr, indicating a stronger turbulence in the bulk. The magnitudes of kinetic and thermal energy dissipation rates in the bulk also increase with the decreasing of Pr, due to the intensified velocity gradient and larger thermal diffusivity, respectively. In the cell central region, probability density functions (PDFs) of velocity show a bimodal distribution, and it approaches the Gaussian distribution at higher Pr, while the PDFs of temperature display a stretched exponential shape with intermittent behavior. The kinetic energy spectra further reveal that the velocity cascade follows the Bolgiano–Obukhov scaling in the bulk of the convective flow.
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