[论文解读] Detection of standing internal gravity waves in experiments with convection over a wavy heated wall

L. Barel, A. Eidelman+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Fluid Dynamics and Turbulent Flows参考文献 58被引用 6

一句话总结

本研究在雷诺数约为10⁸的Rayleigh-Bénard对流装置中，通过实验检测到大尺度驻波状内波（IGWs），该装置的底部加热壁面呈波浪形。这些内波的周期为14至167秒，波长远大于湍流尺度，出现在流场核心区域的稳定层结区域内，表明存在波导谐振器效应；而在光滑壁面的对照实验中则未观测到此类波，凸显了底部地形在IGW激发中的关键作用。

ABSTRACT

Convection over a wavy heated bottom wall in the air flow has been studied in experiments with the Rayleigh number $\sim 10^8$. It is shown that the mean temperature gradient in the flow core inside a large-scale circulation is directed upward, that corresponds to the stably stratified flow. In the experiments with a wavy heated bottom wall, we detect large-scale standing internal gravity waves excited in the regions with the stably stratified flow. The wavelength and the period of these waves are much larger than the turbulent spatial and time scales, respectively. In particular, the frequencies of the observed large-scale waves vary from 0.006 Hz to 0.07 Hz, while the turbulent time in the integral scale is about 0.5 s. The measured spectra of these waves contains several localized maxima, that implies an existence of waveguide resonators for the large-scale standing internal gravity waves. For comparisons, experiments with convection over a smooth plane bottom wall at the same mean temperature difference between bottom and upper walls have been also conducted. In these experiments various locations with a stably stratified flow are also found and the large-scale standing internal gravity waves are observed in these regions.

研究动机与目标

• 研究在波浪形加热底部壁面之上对流流场中内重力波（IGWs）的生成机制。
• 识别在湍流对流内部稳定层结区域内形成大尺度驻波IGWs的条件。
• 比较波浪壁与光滑壁配置下的波特性，以分离底部地形的作用。
• 确定波能谱中局部极大值是否表明波导谐振器的形成。
• 量化观测到的IGWs在时间与空间尺度上相对于系统内湍流尺度的特征。

提出的方法

• 在具有正弦波形加热底部板的Rayleigh-Bénard对流池中开展实验室实验。
• 利用粒子图像测速法（PIV）和热电偶测量温度与速度场，以解析大尺度流场结构。
• 分析流场核心区域的时间序列数据，检测频率在0.006 Hz至0.07 Hz之间的相干振荡。
• 计算温度与速度脉动的功率谱，以识别指示共振波模的局部极大值。
• 将结果与在相同平均温差下采用光滑平坦底部壁面的对照实验进行比较。
• 通过分析流场核心区域的平均温度梯度来识别稳定层结区域，确认存在向上的温度梯度（稳定层结）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在波浪形加热壁面之上的湍流对流中，稳定层结区域内是否形成驻波状内重力波？
• RQ2 所观测波的频率与波长与湍流积分 timescale（约0.5秒）相比如何？
• RQ3 波能谱中是否存在局部极大值，提示波导谐振器的存在？
• RQ4 与光滑壁面相比，波浪形底部壁面如何影响IGW的激发？
• RQ5 大尺度相干结构在对流流场中生成并维持驻波状IGWs的过程中起何种作用？

主要发现

• 在流场核心区域平均温度梯度向上（即稳定层结）的区域，实验检测到大尺度驻波状内重力波，证实了稳定层结条件的存在。
• 观测到的波频率范围为0.006 Hz至0.07 Hz，对应周期为14至167秒，显著长于湍流积分时间尺度（约0.5秒）。
• 测量得到的波谱表现出多个局部极大值，表明存在波导谐振器，能够捕获并放大特定IGW模态。
• 与波浪壁情况相反，在相同平均温差下，光滑壁面对照实验中未观测到此类大尺度驻波。
• 这些波仅出现在流场核心区域平均温度梯度方向向上的区域，证实其与稳定层结层的关联性。
• 结果表明，底部地形（波浪壁）是激发对流流场中大尺度驻波状IGWs的关键机制，即使在无外部强迫条件下亦可实现。