近期，《J. Fluid Mech.》刊登了北京大学陈十一教授科研团队在热对流大尺度结构方面的研究进展。论文题目为《通过侧壁温度控制实现湍流Rayleigh-Bénard对流中大尺度环流稳定性的调控》（Stabilizing/destabilizing the large-scale circulation in turbulent Rayleigh-Bénard convection with sidewall temperature control）。

　　大尺度流动结构的反转现象在地球物理、天体物理等领域广泛存在，而Rayleigh-Bénard对流是研究反转现象的重要简化模型。传统的方腔Rayleigh-Bénard对流包含高温的等温下壁面、低温的等温上壁面、以及绝热的侧壁，在一定的瑞利数（Ra）和普利特数（Pr）范围内呈现大尺度环流（LSC）的随机反转现象。此研究通过开展数值模拟和实验研究发现，在侧壁的某些位置令温度等于上下壁温的平均值，可以高效地抑制或促进LSC的反转。这对理解和控制自然界中大尺度流动结构的反转有重要意义。记hc为控制点与方腔中心的相对高度，每个控制区域的宽度为方腔高度的1/20。模拟得到Ra=108、Pr=2时二维Rayleigh-Bénard对流中角动量的时间序列，表明侧壁控制对二维系统中LSC的反转有显著影响，其中四点控制和hc=0的两点控制对两种LSC都起到稳定作用；hc>0的两点控制只对顺时针LSC起到稳定作用。图6显示了实验和模拟得到的高Ra下LSC各状态的平均停留时间，表明实验和模拟得到的结果较为一致，而且进一步表明hc>0的两点控制倾向于使LSC保持顺时针状态。基于上述结果，从对称性角度分析，侧壁温度控制如果破坏了系统原有的镜像对称性，将使系统偏好特定方向的LSC，降低另一方向LSC的稳定性；如果维持或增强了系统原有的镜像对称性，则无法预测该参数下的控制对LSC稳定性的影响，还需要对侧壁的羽流分离点展开具体分析。

　　以上研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题研究” (基金号11988102) 资助。论文链接：DOI: 10.1017/jfm.2021.58。

图6:实验和模拟得到的Ra>108时LSC各状态在有控制和无控制时的平均停留时间比值。