Time-stepping approach for solving upper-bound problems: Application to two-dimensional Rayleigh-Bénard convection

对流 瑞利-贝纳德对流 上下界 数学 时间步进 物理 瑞利散射 数学分析 瑞利数 机械 统计物理学 自然对流 离散化 量子力学
作者
Baole Wen,Gregory P. Chini,Rich R. Kerswell,Charles R. Doering
出处
期刊:Physical Review E [American Physical Society]
卷期号:92 (4) 被引量:32
标识
DOI:10.1103/physreve.92.043012
摘要

An alternative computational procedure for numerically solving a class of variational problems arising from rigorous upper-bound analysis of forced-dissipative infinite-dimensional nonlinear dynamical systems, including the Navier-Stokes and Oberbeck-Boussinesq equations, is analyzed and applied to Rayleigh-Bénard convection. A proof that the only steady state to which this numerical algorithm can converge is the required global optimal of the relevant variational problem is given for three canonical flow configurations. In contrast with most other numerical schemes for computing the optimal bounds on transported quantities (e.g., heat or momentum) within the "background field" variational framework, which employ variants of Newton's method and hence require very accurate initial iterates, the new computational method is easy to implement and, crucially, does not require numerical continuation. The algorithm is used to determine the optimal background-method bound on the heat transport enhancement factor, i.e., the Nusselt number (Nu), as a function of the Rayleigh number (Ra), Prandtl number (Pr), and domain aspect ratio L in two-dimensional Rayleigh-Bénard convection between stress-free isothermal boundaries (Rayleigh's original 1916 model of convection). The result of the computation is significant because analyses, laboratory experiments, and numerical simulations have suggested a range of exponents α and β in the presumed Nu∼Pr(α)Ra(β) scaling relation. The computations clearly show that for Ra≤10(10) at fixed L=2√[2],Nu≤0.106Pr(0)Ra(5/12), which indicates that molecular transport cannot generally be neglected in the "ultimate" high-Ra regime.
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