Local and Nonlocal Advected Invariants and Helicities in Magnetohydrodynamics and Gas Dynamics II: Noether's Theorems and Casimirs
利用Noether第一和第二定理导出了与流体重标对称性有关的理想气体动力学和磁流体动力学(MHD)中的守恒定律。Lie拖曳不变量的讨论中的MHD Casimirs。利用Noether定理,结合流体重标对称性和规范变换,导出了适用于包含Clebsch变量的非正压流体螺旋度的非局部守恒定律。用同样的方法导出了包含Clebsch势的非定域交叉螺旋度守恒定律和MHD能量守恒定律。欧拉庞加莱变分方法也被用来推导守恒律与流体重新标记对称性使用Noether的第二定理。
2014-01-08 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Numerical Demonstration of Kolmogorov Scaling in Magnetohydrodynamic Turbulence
本研究通过高分辨率数值模拟验证各向同性MHD湍流的标度规律,发现能谱、三阶结构函数、间歇指数及非平衡MHD能通量均支持Kolmogorov的$k^{-5/3}$标度,为太阳风、日冕和发电机的建模提供参考。
2025-10-06 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Nonlocal Phenomenology for anisotropic MHD turbulence
本文提出了一种各向异性磁流体湍流的非局域级联模型。该模型考虑到:(a)能量以各向异性的方式级联,因此,对平行于和垂直于引导场的方向上的级联率进行了不同的估计。(b)导致级联的相互作用是在不同尺度之间。具有波数$k_\|$和$k_\perp$的涡旋与具有波数$q_\|,q_\perp$的涡旋相互作用,使得波数$q_\|,q_\perp$和$k_\|,k_\perp$之间的共振条件成立。因此,来自具有波数$k_\|$和$k_\perp$的涡流的能量由于与位于共振流形中的涡流的相互作用而级联,所述共振流形的波数由以下确定:$q_\|\simeq ε^{{1}/{3}}k_\perp^{2/3}/B$、$q_\perp=k_\perp$和能量将沿着线$k_\|\sim C+k_\perp^{2/3} ε^{1/3}/B_0$级联。对于平行方向上的均匀能量注入速率,所得到的能谱是$E(k_\|,k_\perp)\simeq ε^{2/3}k_\|^{-1}k_\perp^{-5/3}$。然而,对于一般的强迫,该模型表明了一种非普遍的行为。讨论了与前人模型、数值模拟和弱湍流理论的联系。
2007-06-06 physics.flu-dyn
Conservation of magnetic-helicity fluctuations due to spatial decorrelation of fluxes in decaying MHD turbulence
Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University(澳大利亚国立大学天文与天体物理研究学院);Australia’s Climate Simulator (ACCESS-NRI), Australian National University(澳大利亚气候模拟器(ACCESS-NRI),澳大利亚国立大学);Princeton Center for Theoretical Science(普林斯顿理论科学中心);Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge(剑桥大学应用数学与理论物理系);Gonville & Caius College(冈维尔与凯斯学院);Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, University of Toronto(多伦多大学加拿大理论天体物理研究所)
研究探讨了在衰减磁流体动力学湍流中,磁旋磁通量波动的守恒性,通过分析空间相关性的消失,揭示了磁流体动力学湍流中磁旋磁通量波动的守恒机制。
2025-11-12 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.SR
Local and Nonlocal Advected Invariants and Helicities in Magnetohydrodynamics and Gas Dynamics I: Lie Dragging Approach
本文讨论了理想磁流体力学(MHD)和与平流不变量有关的气体动力学中的守恒律。在某些情况下,不变量可以与拉格朗日映射相关的流体重新标记对称性有关。有不同类别的不变量是平流或李拖动的流动。简单的例子是熵S的平流(0-形式)和磁通量的守恒(与流动平流的不变2-形式)。磁通量守恒定律等价于法拉第方程。我们讨论了磁螺旋度与流平流所需的规范条件。讨论了交叉螺旋度为不变量的条件。本文讨论了螺旋度在流体动力学和磁流体力学中的不同变体,包括:流体螺旋度、交叉螺旋度和磁螺旋度。在正压气体的情况下,导出了磁流体力学中的流体螺旋度守恒定律和交叉螺旋度守恒定律。如果磁场位于等熵曲面上,则气体压力可以同时依赖于熵和密度。在这些情况下,守恒律是局部守恒律。我们获得了非正压流体的流体螺旋度和交叉螺旋度的非局部守恒律使用Clebsch变量制定的气体动力学和MHD。Ertel定理和位涡,Hollman不变量,和Godbillon Vey不变量的磁螺旋度为零的特殊流动进行了讨论。
2014-01-08 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Emergence of magnetic structure in supersonic isothermal magnetohydrodynamic turbulence
本文通过直接数值模拟研究了马赫数高达10的等温磁流体动力学湍流中磁螺旋度的逆转移,发现用阿尔芬速度代替磁场时不可压缩MHD的结果可扩展至超音速MHD,并揭示了压缩性对三种尺度转移现象的不同影响。
2023-11-12 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
Dynamic anisotropy in MHD turbulence induced by mean magnetic field
本文通过对直接数值模拟结果的分析,研究了在大尺度磁场B 0作用下强磁流体湍流中各向异性的发展。我们的结果表明,速度和磁场的不同分量之间发展的各向异性是垂直速度分量u?以及并联分量uk的能量的前向级联。逆叶栅发展为强B 0,其中流动通过抑制沿磁场的波动而呈现强旋涡结构。通过研究各向异性能谱、能通量和不同尺度间的壳-壳能量传递,详细研究了逆级联和正级联。
2017-06-06 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Amplification of large-scale magnetic field in nonhelical magnetohydrodynamics
通常认为,动力学螺旋度和磁螺旋度在大尺度发电机的生长中起着至关重要的作用。本文证明了螺旋度对大尺度磁场的放大并不是必不可少的。为此,我们进行了非螺旋磁流体动力学(MHD)模拟,并表明,大规模的磁场可以增长时,在非螺旋磁流体动力学的随机外力在$1/10$的盒子大小。利用数值计算的能通量和壳-壳传递率表明,大尺度磁能的增长是由于在强迫尺度上来自速度场的能量传递。
2017-08-21 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
As a matter of dynamical range -- scale dependent energy dynamics in MHD turbulence
磁化湍流普遍存在于许多天体物理和地球等离子体中,但没有普遍的理论存在。即使是详细的磁流体动力学(MHD)湍流的能量动力学仍然没有得到很好的理解。我们提出了一套亚音速,超Alfvénic,高等离子体β MHD湍流模拟,只在其动力学范围内变化,即,大尺度强迫和耗散尺度的分离及其耗散机制(隐式大涡模拟,ILES,与直接数值模拟,DNS)。使用能量传递分析框架,我们计算的有效,数值粘度和粘性,并证明,所有的ILES计算的MHD湍流解决,并对应于一个等效的粘阻MHD湍流计算。增加ILES中使用的网格点的数量对应于降低耗散系数,即,更大的(动力学和磁)雷诺数恒定强迫规模。独立地,我们使用这个相同的框架来证明-相反的流体动力学湍流-跨尺度的能量通量是不恒定的MHD湍流。这既适用于给定动力学范围的不同介质(如级联过程或磁张力),也适用于对动力学范围本身的依赖性,这决定了流动的物理性质。即使在$2{,}048^3$单元的最高分辨率(最大雷诺数)模拟下,我们也没有观察到任何收敛迹象,这就对MHD湍流中是否存在渐近状态提出了疑问,如果存在,它看起来像什么。
2022-11-17 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Helicity dynamics, inverse and bi-directional cascades in fluid and MHD turbulence: A brief review
我们简要回顾了螺旋度动力学,反向和双向级联流体和磁流体动力学(MHD)湍流,重点是后者。湍流系统的能量,在非耗散情况下的不变量,通过非线性模式耦合转移到小尺度。五十年前,人们认识到,对于二维流体,能量级联而不是更大的尺度,三维MHD中的磁螺旋度也是如此。然而,最近获得的证据表明,事实上,对于一系列的控制参数,有系统,其理想的不变量可以转移,恒定的通量,大尺度和小尺度,如MHD或旋转分层流,在后一种情况下,包括准地转强迫。这种双向、分裂、级联直接影响在这些流中发生混合和耗散的速率,其中非线性涡流与具有各向异性色散定律的快波相互作用,例如由于施加的旋转、分层或均匀磁场。级联的方向可以在某些情况下,通过使用唯象参数,其中之一,我们在这里得出以下的情况下,在电子MHD的逆磁螺旋级联的经典线路。随着来自大型实验室实验、高性能计算和现场卫星观测的更高分辨率的数据集,机器学习工具正在为湍流研究带来新的视角,例如帮助设计新的显式次网格尺度参数化,这可能导致增强物理洞察力,包括在未来这些新的双向级联的情况下。
2019-03-12 physics.flu-dyn
Invariant Finite-Difference Schemes for Cylindrical One-Dimensional MHD Flows with Conservation Laws Preservation
本文基于柱坐标一维磁流体力学方程的群分类,从经典完全守恒格式出发,构造了保持对称性与守恒定律的有限差分格式,并在有限和无限电导率下推导出多种新格式。
2023-05-21 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A tensor invariant approach to energy flux in magnetohydrodynamic turbulence
University of Warwick(华威大学);London School of Economics and Political Science(伦敦政治经济学院)
本文通过空间滤波磁流体动力学方程分析湍流能量通量,利用张量不变量表征速度和磁场结构,探讨能量通量的物理机制,并通过三维模拟验证结果。
2026-08-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy Spectra and Fluxes in Dissipation Range of Turbulent and Laminar Flows
Pao~(1965)和Pope~(2000)提出的湍流模型同时描述了惯性区和耗散区的能谱。在本文中,我们计算的能量谱$E(k)$和能量通量$Π(k)$使用直接数值模拟网格上的$4096^3$,并显示的数值结果和预测的上述模型之间的一致性。我们还构建了一个层流模型,预测$E(k)\sim k^{-1} \exp(-k)$和$Π(k)\sim k \exp(-k)$。我们的模型预测与数值结果相匹配。着重指出了两种流动中能量传递的不同之处-湍流中能量传递是{ \em局域}的,而层流中能量传递是{ \em非局域}的。
2019-02-18 physics.flu-dyn
Cascades in nonlocal turbulence
我们考虑了2D Gross-Pitaevsky模型中的发达湍流,该模型描述了从原子和光学物理到凝聚态物质、流体和等离子体的各种现象。众所周知的困难的问题是,在弱湍流近似的逆和正叶栅的假设的本地频谱进行要么是零或有错误的符号的通量,这样的频谱不能实现。我们解析推导出精确的通量恒常法(类似物的Kolmogorov的4/5定律不可压缩流体湍流),表示通过四阶矩和有效的任何非线性。我们确认直接数值模拟的通量定律。我们表明,一个恒定的通量实现了非局域波相互作用的直接和反级联。在两个叶栅中,波谱(二阶矩)接近于轻微(热力学)扭曲的热平衡。
2015-03-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Large-scale dynamics of magnetic helicity
本文研究了磁流体动力学(MHD)湍流中磁螺旋度的动力学特性,研究的尺度大于强迫尺度。我们的结果显示了磁螺旋度的非局部逆级联,它直接发生在从强迫尺度到磁场最大尺度的过程中。我们还观察到,没有磁螺旋度和能量转移到一个中间范围的尺度足够小于容器的大小和大于强迫尺度。因此,这一范围内的尺度,这增加了尺度分离的统计特性,示出在很大程度上描述的零通量的解决方案的绝对统计平衡理论所表现出的截断理想MHD方程。
2017-05-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Energy transfer and conversion in Strongly Anisotropic Magnetohydrodynamic Turbulence
The University of Edinburgh(爱丁堡大学);University of Waikato(怀卡托大学)
研究强各向异性磁流体动力学湍流中的能量转移与转换,通过扩展分析,证实电流片变薄是能量向小尺度级联的主要过程,发现子通量尺度不变性,还揭示背景磁场在不同尺度对动能和磁能转换的不同影响。
2026-07-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Wave turbulence in self-gravitating Bose gases and nonlocal nonlinear optics
我们发展了二维和三维薛定谔-亥姆霍兹方程描述的系统中的弱波湍流理论。该模型包含了常见的三次非线性薛定谔方程和薛定谔-牛顿方程。后者,在三维空间中,是一个模糊暗物质的非相对论模型,它具有非局部引力自势,在二维空间中,它们描述了傍轴近似下的非局部非线性光学。我们证明,在弱非线性极限下,薛定谔-亥姆霍兹方程同时具有粒子的逆级联和能量的前向级联。我们解释的逆级联作为一个非平衡凝聚过程,这是在大尺度结构形成的前兆(例如,银河系暗物质晕或光孤子的形成)。我们表明,在二维和三维的薛定谔-牛顿方程,并在二维非线性薛定谔方程,粒子和能量通量进行的热力学分布的小偏差,而不是Kolmogorov-Zakharov级联是熟悉的波动湍流。我们发展了一个微分近似模型来描述这种“温级联”状态。
2021-03-23 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
Exact scaling laws and the local structure of isotropic magnetohydrodynamic turbulence
本文研究了各向同性MHD湍流的精确标度律在大磁普朗特数Pm和Pm=1的数值模拟中的一致性。精确的法律被用来阐明的磁场和速度场的结构。尽管某些三阶关联函数的线性标度,情况是不类似的Kolmogorov湍流的情况。磁场是充分描述的带状(折叠)场与方向反转的电阻标度的模型。在目前可用的分辨率下,动能的级联被强迫尺度运动和带状磁场之间的能量直接交换所短路。这种非局部相互作用是各向同性MHD湍流的定义特征。
2006-11-21 astro-ph physics.flu-dyn
Dynamic Nonlocal Passive Scalar Subgrid-Scale Turbulence Modeling
针对标量湍流小尺度反常扩散与间歇性导致的亚网格建模难题,提出基于滤波玻尔兹曼方程的动态非局域大涡模拟范式,通过分数阶拉普拉斯项表征超扩散特性,结合数据驱动算法与动态过程实时估计模型参数,先验与后验测试均优于传统模型,适用于强各向异性的粗化模拟及环境应用。
2022-03-07 physics.flu-dyn
Measuring fluxes between wave and geostrophic features in rotating non-hydrostatic flows with variable stratification
该研究提出了一种框架,用于在具有变量层结的旋转非静力流中分离波和地转成分,并量化其能量通量和转移。
2025-11-22 physics.ao-ph physics.flu-dyn
Kolmogorov and Kelvin wave cascades in a generalized model for quantum turbulence
我们利用广义Gross-Pitaevskii方程对衰减的量子湍流进行了数值模拟,该方程包含了超平均场修正和非局域相互作用势。选择的非局部电位,以模仿他II通过引入一个Roton最小的激发光谱。我们观察到,在大尺度上的统计行为的流动是独立的相互作用的潜力,但在尺度小于涡间距离的开尔文波级联增强的广义模型。在此范围内,不可压动能谱不仅与波数成比例,而且与能量通量和涡间距离成比例,均符合Kelvin波叶栅弱波湍流预报。
2020-10-19 cond-mat.other physics.flu-dyn
How universal are warm turbulent cascades?
Weizmann Institute of Science(魏茨曼科学研究所)
本文通过时间尺度论证和数值演示,质疑了暖湍流级联解的普适性,指出热阻尼的非局部效应可能导致对紫外截断的依赖。
2026-09-18 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Energy transfer in compressible magnetohydrodynamic turbulence
磁场、压缩性和湍流是许多地球和天体物理过程中的重要因素。虽然能量动力学,即能量是如何转移内和之间的动力和磁水库,以前已经研究了不可压缩的磁流体动力学(MHD)湍流的背景下,我们扩展壳到壳的能量转移分析的可压缩制度。我们推导出四个新的传递函数,特别是捕获压缩性的影响,在动能和磁级联,并捕获通过磁压力的能量交换。为了说明他们的可行性,我们执行和分析四个模拟驱动等温MHD湍流在亚和超声速制度与两个不同的代码。一方面,我们的分析揭示了跨政权和数值方法的鲁棒特性。例如,个别尺度之间的能量转移是本地和向前的两个级联与磁级联是强于动能。与叶栅相比,与磁张力和磁压力相关的转移不那么局部化,并且更弱。我们没有发现明显的非本地转移的证据。另一方面,我们表明,某些功能,例如,磁能级联的压缩分量表现出更复杂的行为,其随状态和数值方法而变化。在建立了可压缩状态下的分析基础之后,该方法现在可以应用于研究更广泛的参数空间。
2017-10-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR