量子启发的二维湍流瑞利-贝纳德对流模拟
湍流热对流是恒星内部至工业换热器等系统中热量传输的主导机制。二维瑞利-贝纳德对流作为这类流动的典型模型,再现了薄边界层、大尺度环流和持续羽流动力学等关键特征。尽管矩阵乘积态(MPS)方法已证明能高效压缩等温湍流场,但其在具有主动热耦合的浮力驱动流动中的应用尚未被探索。该研究团队将MPS方法应用于二维瑞利-贝纳德对流动态模拟,最高达到Ra=10^10。对Ra=10^11的直接数值模拟(DNS)快照进行先验分解表明,表征流场所需的键维数χ呈现持续增长趋势,与等温二维湍流中速度场χ值趋于稳定的报道形成鲜明对比。但关键发现是:在固定χ条件下采用压缩MPS格式直接求解控制方程的动态模拟表明,恢复努塞尔数等统计观测量所需的χ值随Ra增长而增加的幅度,远低于先验复杂度预测。当Ra=10^10时,采用与Ra=10^9相当的χ值即可实现平均努塞尔数1.8%的相对误差,同时自由度减少近9倍。频谱分析证实随着χ增大,时空尺度会逐步恢复。这些发现确立了MPS作为模拟热驱动湍流的可扩展工具,表明该方法在探究更高Ra数终极区域时仍具应用潜力。

