La détermination du flux de flottabilité et de sa contribution à l'énergie cinétique de turbulence (TKE) est un problème fondamental dans la couche limite planétaire (PBL). Cependant, en raison de la complexité de la turbulence, les études précédentes ont principalement adopté l'analyse dimensionnelle et la formule empirique pour déterminer le budget TKE. Cette étude introduit le concept de modèle de moteur thermique endoréversible à l'analyse TKE de la couche limite convective (CBL) et établit un modèle théorique basé sur les premiers principes. Nous avons constaté que la contribution totale de la flottabilité à TKE et à l'efficacité du moteur thermique dans la couche limite augmente linéairement avec la hauteur de la couche limite. Le flux de flottabilité dérivé de notre modèle théorique est cohérent avec les résultats de la simulation numérique et de l'analyse dimensionnelle. Cette théorie basée sur le moteur thermique révèle le mécanisme physique de la puissance de TKE générée par la flottabilité. Notre modèle théorique peut remplacer la valeur empirique et fournir une méthode idéale pour la détermination du flux de flottabilité dans PBL.

La determinación del flujo de flotabilidad y su contribución a la energía cinética de turbulencia (TKE) es un problema fundamental en la capa límite planetaria (PBL). Sin embargo, debido a la complejidad de la turbulencia, estudios previos adoptaron principalmente el análisis dimensional y la fórmula empírica para determinar el presupuesto de TKE. Este estudio introduce el concepto de modelo de motor térmico endorreversible al análisis de TKE de la capa límite convectiva (CBL) y establece un modelo teórico basado en los primeros principios. Encontramos que la contribución total de la flotabilidad a TKE y la eficiencia del motor térmico en la capa límite aumentan linealmente con la altura de la capa límite. El flujo de flotabilidad derivado de nuestro modelo teórico es consistente con los resultados de la simulación numérica y el análisis dimensional. Esta teoría basada en el motor térmico revela el mecanismo físico de la potencia de TKE generada por la flotabilidad. Nuestro modelo teórico puede reemplazar el valor empírico y proporcionar un método ideal para la determinación del flujo de flotabilidad en PBL.

The determination of buoyancy flux and its contribution to turbulence kinetic energy (TKE) is a fundamental problem in planetary boundary layer (PBL).However, due to the complexity of turbulence, previous studies mainly adopted dimensional analysis and empirical formula to determine TKE budget.This study introduces the endoreversible heat engine model concept to the convective boundary layer (CBL) TKE analysis and establishes a theoretical model based on the first principles.We found that the total contribution of buoyancy to TKE and heat engine efficiency in the boundary layer increase linearly with the boundary layer height.The derived buoyancy flux from our theoretical model is consistent with the results from numerical simulation and dimensional analysis.This heat engine-based theory reveals the physical mechanism of the power of TKE generated by buoyancy.Our theoretical model can replace the empirical value and provide an ideal method for buoyancy flux determination in PBL.

يعد تحديد تدفق الطفو ومساهمته في الطاقة الحركية للاضطراب (TKE) مشكلة أساسية في طبقة الحدود الكوكبية (PBL). ومع ذلك، نظرًا لتعقيد الاضطراب، اعتمدت الدراسات السابقة بشكل أساسي تحليل الأبعاد والصيغة التجريبية لتحديد ميزانية TKE. تقدم هذه الدراسة مفهوم نموذج المحرك الحراري القابل للانعكاس إلى تحليل TKE للطبقة الحدودية للحمل الحراري (CBL) وتؤسس نموذجًا نظريًا يعتمد على المبادئ الأولى. وجدنا أن المساهمة الإجمالية للطفو في TKE وكفاءة المحرك الحراري في الطبقة الحدودية تزيد خطيًا مع ارتفاع الطبقة الحدودية. يتوافق تدفق الطفو المشتق من نموذجنا النظري مع نتائج المحاكاة العددية وتحليل الأبعاد. تكشف هذه النظرية القائمة على المحرك الحراري عن الآلية الفيزيائية لقوة TKE الناتجة عن الطفو. يمكن للنموذج النظري الخاص بنا أن يحل محل القيمة التجريبية ويوفر طريقة مثالية لتحديد الطفو في PBL.