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对流现象广泛存在于自然界中.湍流热对流物理和流动特性的研究可以深化认识自然界中的对流现象,帮助解决工程中的传热问题,有重要的理论研究意义和实际应用价值.Rayleigh-Bénard(RB)对流系统是研究热对流现象的典型物理模型,是当今物理学和流体力学研究的热点问题之一.本文通过DNS直接数值模拟研究二维方腔RB热对流.高Ra数湍流热对流的DNS模拟计算由于计算规模巨大而形成研究瓶颈.在超级计算机上采用高效并行计算技术,是目前突破大规模热对流DNS模拟研究瓶颈的重要手段之一.热对流DNS的高效并行计算的关键问题,是压力泊松方程的并行求解技术.本文创建了二维湍流热对流的DNS并行直接计算方法(PDM-DNS).在"天河二号"超级计算机上,采用新的二维湍流热对流的DNS并行直接计算方法,令人惊喜的完成了高Ra湍流热对流大规模计算.例如,Ra=1012的计算,网格为3072×3456,时间步长采用△t=2.0×10-6,在"天河二号"超级计算机上共迭代计算了1.5亿步.这种规模得DNS模拟在一年前还很难实现.本文计算得到Pr=0.7,Ra=108、Ra=109、Ra=1010、Ra=1011、Ra=1012的湍流热对流的动态温度场.可以看到较低Ra数湍流流动状态是羽流沿椭圆型大尺度环流边缘运动.更高Ra数湍流流动状态,是在上下底板产生众多的小尺度冷或热涡,并形成可随大尺度环流长时间绕行的涡流.平均场时较低Ra数的流动仍保持椭圆型大尺度环流的特征.在高Ra数湍流流动的平均场中,运动的小尺度冷、热涡全部被抹平,流线呈现圆形.