Experimentos numéricos sobre convecção térmica turbulenta forte em uma célula cilíndrica delgada

Experimentos numéricos são realizados para estudar a turbulência convectiva de alto número de Rayleigh (Ra variando de 2 10⁶ a 2 10¹¹) em uma célula cilíndrica com razão de aspecto =1/2 aquecida pela parte inferior e resfriada pela parte superior e preenchida com hélio gasoso (Pr=0,7). A abordagem numérica permite a análise de campos tridimensionais de velocidade, vorticidade e temperatura. Além disso, várias sondas numéricas são colocadas dentro do volume do fluido, permitindo a extração de séries temporais de velocidade e temperatura pontuais. Aproveitando a acessibilidade dos dados fornecidos pela simulação numérica direta, a dinâmica do fluxo foi explorada e separada em seus componentes médios de grande escala e flutuantes, tanto na massa quanto nas regiões da camada limite. A existência de estruturas de grande escala criando um fluxo médio que varre as paredes horizontais foi confirmada. No entanto, a presença de uma única célula de recirculação preenchendo todo o volume foi observada apenas para Ra < 10⁹ - 10¹⁰ e com intensidade reduzida em comparação com vórtices toroidais axisimétricos anexados às placas horizontais. Em Ra maiores, a célula única não é mais observada, e a recirculação em massa se quebra em duas roldanas assimétricas de razão de aspecto unidade em rotação contrária. Essa transição tem um impacto apreciável na estrutura da camada limite e nas propriedades globais de transferência de calor. A assinatura da estrutura de grande escala também se reflete nas estatísticas da turbulência em massa, que, aproveitando o grande número de sondas numéricas disponíveis, é examinada tanto em termos de espectros de frequência quanto de funções de estrutura da temperatura. Os resultados presentes também são discutidos dentro do contexto de desenvolvimentos teóricos recentes, mostrando que o efeito da razão de aspecto nas propriedades globais de transferência de calor em altos Ra ainda permanece uma questão em aberto.