The weakly nonlinear magnetorotational instability in a global, cylindrical Taylor-Couette flow
我们进行了一个全球性的，弱非线性分析的磁旋转不稳定性（MRI）在泰勒-库埃特流。这是一个多尺度扰动处理的非理想的，轴对称MRI阈值附近，受现实的径向边界条件和圆柱形的几何形状。我们分析了由恒定垂直背景磁场初始化的标准MRI和具有方位角背景场分量的螺旋MRI。这是第一个弱非线性分析的MRI在全球泰勒-库埃特几何，以及第一弱非线性分析的螺旋MRI。我们发现，标准MRI的振幅的演变是由一个真正的Ginzburg-Landau方程（GLE），而螺旋MRI的振幅采取的形式，一个复杂的GLE。这表明，饱和状态的螺旋MRI本身可能是不稳定的长期空间和时间尺度。
2017-04-28 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Transition to magnetorotational turbulence in Taylor--Couette flow with imposed azimuthal magnetic field
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是天体物理吸积盘中湍流和动量传输的强大来源，但获得其操作的观测证据是具有挑战性的。最近，泰勒-库埃特流与外部施加的轴向和方位角磁场的实验室实验已经揭示了MRI的运动学和动力学特性接近不稳定的开始。虽然良好的协议被发现与线性稳定性分析，鲜为人知的是过渡到湍流和运输性能的MRI。我们在这里报告的MRI与施加方位磁场的数值调查。我们表明，层流泰勒-库埃特流变得不稳定的波旋转的方位角方向和立场，在轴向方向通过超临界霍普夫分岔。随后，流动的特点是一个灾难性的过渡到时空缺陷介导的亚临界次谐波Hopf分岔。我们的结果是在定性协议与PROMISE实验，并显着扩展其可实现的参数范围。我们发现，随着雷诺数的增加，缺陷积累和成长为湍流，但动量输运的规模弱。
2015-09-11 physics.flu-dyn
Helical magnetorotational instability in a Taylor-Couette flow with strongly reduced Ekman pumping
磁旋转不稳定性（MRI）通过维持流体动力学稳定的开普勒吸积盘中的湍流，被认为在恒星和黑洞的形成中起着关键作用。在以前的实验中，通过施加螺旋磁场，在中等雷诺数的液态金属泰勒-库埃特流中观察到MRI。这种螺旋MRI（HMRI）的观察受到固体端盖驱动的显着Ekman泵浦的干扰，该端盖将不稳定性仅限于泰勒-库埃特细胞的一部分。本文描述了在改进的泰勒-库埃特装置中的HMRI的观察，通过使用分裂端盖显著降低了Ekman泵浦。HMRI现在遍布细胞的整个高度，看起来更清晰，与数值预测更一致。通过分析各种参数的依赖关系，我们得出结论，所观察到的HMRI代表了一个自我维持的全球不稳定性，而不是一个噪声持续对流。
2009-04-07 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Magnetorotational instability in Taylor-Couette flows between cylinders with finite electrical conductivity
研究了有限电导率圆柱间磁流体泰勒-库埃特流的非轴对称方位磁旋转不稳定性。我们发现，磁普朗特数Pm决定是否完美的导电或绝缘的边界条件导致较低的哈特曼数的发病不稳定。无论施加的旋转配置文件，对于小的Pm的解决方案，完美的导电圆柱体变得不稳定的较弱的磁场比绝缘圆柱体的解决方案。临界哈特曼数和雷诺数形成圆柱体和流体的电导率的比率的单调函数，使得约10的比率提供了对完美导电圆柱体的非常好的近似，并且约0.1的比率提供了对绝缘圆柱体的非常好的近似。这些结果是特别相关的超旋转的情况下，外圆筒旋转速度比内一个;在这种情况下，临界起始值是完全不同的导电与绝缘的边界条件。超旋转不稳定性的实验实现，液体钠作为流体和圆柱体由铜制成，将需要至少33.5千欧的电流沿中心轴运行。
2018-08-08 physics.flu-dyn
Traveling waves in magnetized Taylor-Couette flow
本文对低磁雷诺数下磁化泰勒-库埃特流中观察到的一种行波模式进行了数值研究。通过精确地模拟粘性和磁性边界在各个方向上，我们重现实验测量的波图案和它们的振幅。与以前的说法相反，波被证明是由粘性边界层，而不是全球不稳定的磁旋转模式发射的瞬态放大扰动。
2007-06-22 astro-ph physics.flu-dyn
Inviscid helical magnetorotational instability in cylindrical Taylor-Couette flow
本文分析了与天体物理条件有关的无粘极限轴对称螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）。采用零磁普朗特数定义的无感近似来区分螺旋磁场作用下圆柱形泰勒-库埃特流中的HMRI和标准MRI。用Chebyshev配点法计算了在内外半径比λ=2，旋转率和磁场螺旋度不同的情况下，对流和绝对不稳定性的阈值。研究发现，超出Rayleigh极限的自持HMRI模式的扩展不仅在窄能隙近似下，而且在有限能隙近似下都没有达到天体物理相关的Keplerian旋转轮廓。开普勒极限只能通过对流HMRI模式提供的边界是完美的传导。然而，这种模式不仅需要一个永久的外部激励是可观察的，但也有一个长的轴向波长，这是不兼容的厚度有限的天体物理吸积盘。
2011-12-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The gap-size influence on the excitation of magnetorotational instability in cylindrical Couette flows
本文研究了不同间隙宽度的轴向无限泰勒-库埃特流的磁旋转不稳定性的激发条件。圆柱体被认为是由完美的导电或绝缘材料和导电流体有限，但小的磁性普朗特数旋转的准开普勒速度分布。该解决方案是优化相对于波数和雷诺数的内圆筒的旋转。对于轴对称模式，我们发现所施加的轴向磁场的临界Lundquist数越低，圆柱之间的间隙越宽。对于诱导细胞结构获得了类似的结果：间隙越宽，细胞越球形。对于固定尺寸的外筒，内筒的边际转速在间隙宽度不太宽和不太窄的情况下总是具有最小值。对于理想导电壁，最小值位于$r_{\rm in}\simeq 0.4$，而对于绝缘壁，最小值位于$r_{\rm in}\simeq 0.5$，其中$r_{\rm in}$是内圆柱的归一化半径。激发不稳定性的最低磁场幅值是理想导电圆柱体之间的泰勒-库埃特流所需的，其间隙对应于$r_{\rm in}\simeq 0.2$。对于甚至更宽的间隙和非常薄的间隙，所需的磁场和旋转频率被示出为变得相当巨大。还考虑了含$|m|=1$的非轴对称模式。与轴对称模式相比，它们的激励通常需要更强的磁场和更高的磁雷诺数，这对于具有$r_{\rm in} \lesssim 0.3$的宽间隙容器是真实的。
2023-03-25 physics.flu-dyn
Linking dissipation-induced instabilities with nonmodal growth: the case of helical magnetorotational instability
螺旋磁旋转不稳定性是已知的工作与阻力旋转流与陡峭的负或非常陡峭的正剪切。当允许一些轴向电流流过旋转流体时，剪切力的相应下限和上限Liu连续连接。使用局部近似，我们证明了这种耗散引起的不稳定性的磁流体动力学行为是密切相关的非模态增长和伪谱的基本纯流体动力学问题。
2016-04-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonmodal analysis of helical and azimuthal magnetorotational instabilities
螺旋和方位角磁旋转不稳定性在旋转磁化流中具有相对陡峭的负剪切或非常陡峭的正剪切。相应的下限和上限刘极限的剪切，这决定了这些不稳定性的模式增长的阈值，连续连接时，一些轴向电流被允许通过旋转流体。我们调查的非模态动力学所产生的非正常的剪切流在当地的近似，概括的模态方法的结果。它表明，适度的瞬态/非模态放大的两种类型的磁旋转不稳定性发生在刘限制，根据模态分析系统是稳定的。我们表明，螺旋磁旋转不稳定性，这种磁流体动力学行为是密切相关的非模态增长的基本纯流体动力学问题。
2017-07-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Quasi-two-dimensional nonlinear evolution of helical magnetorotational instability in a magnetized Taylor-Couette flow
磁旋转不稳定性（MRI）是天体物理学中的基本过程之一，在各种各样的宇宙物体中驱动角动量输运和质量吸积。尽管在过去的几十年里，理论/数值和实验的努力，它的饱和机制和振幅，设置角动量输运率，仍然没有得到很好的理解，特别是在高电阻率的限制，或小的磁性普朗特数典型的内部（死区）的原行星盘，液体核心的行星和液态金属在实验室中。使用直接数值模拟，在本文中，我们调查的非线性发展和饱和特性的螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）-一个相对的标准MRI -在磁化泰勒-库埃特流在非常低的磁普朗特数（相应地在低磁雷诺数）有关的液体金属。为了简单起见，方位场与轴向场的比率保持固定。从HMRI的线性理论可知，Elsasser数或相互作用参数决定其增长率，并在动力学中起着特殊的作用。我们表明，这个参数也是重要的非线性问题。通过增加它的值，从弱非线性（其中系统略高于线性稳定性阈值）到强非线性或湍流状态的突然过渡发生。我们计算的方位角和轴向的能量谱对应于这两个制度，并表明，他们定性不同。值得注意的是，在所有情况下，非线性状态仍然几乎轴对称，这表明HMRI湍流是准二维的性质。虽然非轴对称模式的贡献随着Elsasser数的增加而适度增加，但它们的总能量仍然比轴对称模式小得多。
2017-11-27 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Standard and helical magnetorotational instability: How singularities create paradoxal phenomena in MHD
磁旋转不稳定性（MRI）触发湍流，并使角动量在流体动力学稳定的旋转剪切流中向外传输，例如，在吸积盘中。轴向、方位角或螺旋形磁场对差动旋转的哪些定律有影响？这个问题的答案，这是至关重要的天体物理和实验应用，不可避免地导致研究的光谱和几何奇点的不稳定性阈值。奇点提供了一个看似不连续的稳定性标准之间的连接，从而解释了自20世纪50年代以来，人们对MRI理论中的几个悖论知之甚少。
2011-09-09 astro-ph.SR math-ph math.MP
Metamorphosis of helical magnetorotational instability in the presence axial electric current
本文对在螺旋形外磁场作用下，液态金属在轴向电流作用下的圆柱形泰勒-库埃特流动的稳定性进行了线性数值分析。轴对称扰动被认为是在无感近似对应于零磁普朗特数。轴对称使我们能够揭示一种全新的电磁不稳定性。首先，我们表明，通过液体的电流可以无限扩展的范围内的螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）转化为一个纯粹的电磁不稳定性。两种不同的电磁不稳定性机制。第一种是内部箍缩型不稳定性，这是由于电流与其自身磁场的相互作用。这种不稳定性的轴对称模式需要方位磁场的自由空间分量。当磁场的方位分量为纯旋转分量且轴向分量不为零时，出现了一种新的电磁不稳定性。后者由静止流体中的电流与弱共线磁场的相互作用驱动，产生与方位旋转耦合的稳定的双旋环流。
2015-03-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonaxisymmetric linear instability of cylindrical magnetohydrodynamic Taylor-Couette flow
我们认为，在泰勒-库埃特流的螺旋磁场的应用程序下，主要是磁普朗特数接近无感极限的非轴对称模式的不稳定性，并进行了全面检查的边际稳定性在由此产生的参数空间。我们允许的方位角磁场产生的电流的组合在内部圆筒和流体本身，并引入一个参数，这些电流的强度之间的关系。一组非轴对称模式的不稳定性的控制本征值方程推导和解决的谱配置与Chebyshev多项式在相关的参数空间，与由此产生的不稳定性详细检查。我们发现，通过改变方位角的磁场配置文件的方位角磁旋转不稳定性，非轴对称螺旋磁旋转不稳定性，泰勒不稳定性产生有趣的动态，如不同的首选模式类型，和模式的方位角波数$m>1$。最后，比较了Kirillov $et$ $al$最近进行的WKB分析。[Kirillov，Stefani和Fukumoto，J. Fluid Mech.760，591（2014）]及其在线性状态中的有效性。
2015-10-20 physics.flu-dyn
On the relation of standard and helical magnetorotational instability
磁旋转不稳定性（MRI）通过使开普勒盘中的湍流（否则流体动力学稳定）对宇宙结构的形成起着至关重要的作用。特别关注具有小磁性普朗特数的液体金属的MRI实验，已经表明这种不稳定性的螺旋版本（HMRI）具有与标准MRI（SMRI）完全不同的标度行为。我们讨论的关系，HMRI SMRI探索各种参数的依赖关系。我们确定的不稳定性模式之间的转移机制，通过光谱异常点，解释了从静止不稳定（SMRI）的过渡到不稳定的行波（HMRI）和激励的HMRI在无感的限制。对于某些参数区域，我们发现新的岛屿的HMRI。
2009-10-31 astro-ph.HE astro-ph.SR math-ph
Magnetorotational and convective instabilities in a thin layer of electrically conductive nanofluid under an external helical magnetic field
该综述总结了考虑布朗扩散与热泳的非均匀旋转导电纳米流体层磁化流动稳定性研究进展，分析了不同磁场下的磁旋转不稳定性特性与定常对流临界条件，明确了纳米颗粒效应对磁对流行为的调控作用。
2025-09-05 physics.app-ph physics.flu-dyn
Noise-Sustained Convective Instability in a Magnetized Taylor-Couette Flow
对有限长圆柱内磁化泰勒-库埃特流的螺旋磁旋转不稳定性进行了数值研究。一个遥远的上游绝缘边界示出完全稳定的对流不稳定，同时降低绝对不稳定的增长率。高度越大，减少越不严重。在适当地模拟边界条件后，实验中观察到的波型原来是噪声持续的对流不稳定。当不稳定的Ekman层和Stewartson层产生的噪声源被切断后，在模拟中观察到缓慢衰减的惯性振荡。我们得出的结论是，迄今为止完成的实验尚未达到绝对不稳定的制度。
2008-10-13 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Destabilization of super-rotating Taylor-Couette flows by current-free helical magnetic fields
在较早的论文中，我们表明，方位角磁场和超旋转的组合在泰勒-库埃特流动的导电流体可以对非轴对称扰动不稳定，如果磁普朗特数的流体是$Pm\neq 1$。在这里，我们表明，除了一个弱的轴向场分量可以允许轴对称扰动模式的$Pm$的顺序统一取决于边界条件。轴对称模式只发生在磁马赫数（方位场）的顺序单位，而更高的值是必要的非轴对称模式。不稳定性的典型增长时间和轴对称模轴向迁移的特征时间尺度与旋转周期相比较长，但与磁扩散时间相比较短。根据$B_ϕB_z$的符号，模式沿旋转轴在正或负$z$方向上传播。我们还表明，方位角分量的流和场扰动旅行的相位，如果$|B_ϕ|\gg |B_z|$，独立的形式的旋转法。在薄间隙的短波近似中，还示出（在附录中）对于{ \em理想}流体，所考虑的螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）仅存在于具有负剪切的旋转定律中。
2021-02-01 physics.flu-dyn
Observation of magnetocoriolis waves in a liquid metal Taylor-Couette experiment
报道了在实验室中首次观测到的快、慢磁科里奥利（MC）波。旋转非轴对称模式所产生的磁化湍流泰勒-库埃特流动的液体金属被确定为快和慢MC波的旋转频率上施加的磁场强度的依赖性。所观察到的慢MC波阻尼，但观察提供了一种手段，用于预测的磁旋转不稳定性的发病。
2010-02-19 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
From helical to standard magnetorotational instability: predictions for upcoming liquid sodium experiments
我们进行线性分析的轴对称磁旋转不稳定性（MRI）在磁化圆柱泰勒-库埃特（TC）流的标准版本（SMRI）与纯轴向背景磁场和两个进一步的类型-螺旋修改SMRI（H-SMRI）和螺旋MRI（HMRI）-在组合的轴向和方位角磁场的存在下。这项研究的目的是为即将到来的大规模液体钠MRI实验计划内的DRESDYN项目在Helmholtz-Zentrum德累斯顿-Rossendorf，所以我们探讨这些不稳定类型的典型值的主要参数：磁雷诺数，伦德奎斯特数和比的角速度的气缸，这是在这些实验中可以达到的。与以前在实验室中检测MRI的尝试相反，我们的结果表明，SMRI及其螺旋修改版本原则上可以在DRESDYN-TC设备中检测到上述参数的范围，包括天体物理学上最重要的开普勒旋转，尽管液体钠的磁性普朗特数非常小。由于在实验中，我们计划接近（H-）SMRI从以前研究的HMRI制度，我们排除了两个制度之间的连续和单调的过渡。我们发现，H-SMRI，像HMRI，代表一个过稳定性（行波）与非零频率线性增加的方位场。由于它的相关性有限尺寸的流动系统在实验中，我们还分析了H-SMRI的绝对形式，并比较其增长率和发病标准与对流。
2022-06-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Competing instabilities in wide-gap viscoelastic Taylor-Couette flow: Taylor vs. helical vortices
Institute of Hydrodynamics SB RAS（俄罗斯科学院西伯利亚分院水动力学研究所）
本文采用Oskolkov模型，通过直接数值模拟研究小半径内圆柱旋转的宽间隙粘弹性泰勒-库埃特流的稳定性，发现弹性力增大会使螺旋扰动比轴对称扰动更危险，临界雷诺数与线性理论预测一致。
2026-09-01 physics.flu-dyn
Two types of axisymmetric helical magnetorotational instability in rotating flows with positive shear
我们揭示和研究了一种新型的线性轴对称螺旋磁旋转不稳定性，它能够不稳定的粘性和阻力旋转流与径向增加角速度，或正剪切。这种不稳定性本质上是双扩散的，并且与更熟悉的螺旋磁旋转不稳定性不同，其在高于Liu极限的正剪切下操作，因为当施加轴向/极向和方位角/环形磁场的组合的${\rm (i)}$并且磁普朗特数${\rm (ii)}$不太接近1时，它对宽范围的正剪切起作用。我们首先研究这种不稳定性与径向局部WKB分析，然后确认其存在使用的两个旋转圆柱体之间的磁化流的导电或绝缘边界的全局稳定性分析。从实验的角度来看，我们还证明了存在的新的不稳定性磁化粘性和电阻泰勒-库埃特流与正剪切的流动参数的值，这可以实现在即将到来的实验在DRESDYN设施。最后，这种不稳定性可能会对太阳速跃层赤道部分的动力学和发电机的作用有影响，因为上述两个必要条件发生不稳定性在这个地区得到满足。我们的全球稳定性计算的速斜状配置，代表一个薄的旋转圆柱层与适当的边界条件-进行内部和绝缘外圆柱-和流动参数的值，表明它确实可以出现在这种情况下，与太阳周期的特征增长时间。
2019-09-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Experimental evidence for non-axisymmetric magnetorotational instability in a rotating liquid metal exposed to an azimuthal magnetic field
磁旋转不稳定性（MRI）的方位角版本是在纯方位角磁场或主要方位角磁场的影响下流体动力学稳定的差动旋转流的非轴对称不稳定性。它可能是相当重要的不稳定吸积盘，并在MRI发电机的概念中起着核心作用。我们报告的结果，液体金属泰勒-库埃特实验表明，在哈特曼数的预期范围内的方位MRI的发生。
2014-06-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetized Ekman Layer and Stewartson Layer in a Magnetized Taylor-Couette Flow
在本文中，我们提出了轴对称的非线性模拟磁化Ekman和Stewartson层的磁化泰勒-库埃特流与离心稳定的角动量分布和磁雷诺数低于磁旋转不稳定性的阈值。发现磁场抑制了Ekman抽吸。Ekman层的宽度随着垂直于端板的磁场的增加而减小。外圆柱附近形成均匀旋转区域。强磁场导致从端盖处的差动旋转环之间的结发出稳定的Stewartson层。随着雷诺数的增大，Stewartson层变薄，随着磁场的增强和雷诺数的增大，Stewartson层进入主流的深度增大。然而，当雷诺数大于临界值$\sim 600$时，轴对称和非轴对称的不稳定性发生，并导致Stewartson层不太突出，从边界延伸得不太远。
2008-04-26 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Instabilities in magnetized spherical Couette flow
我们报告的三维数值模拟的导电流体在球壳的流动时，施加磁场。不同的球形Couette配置进行了研究，通过改变内部和外部球体之间的旋转比，所施加的场的几何形状，以及内部球体上的磁边界条件。无论是Stewartson层或Shercliff层，伴随着径向射流，可以产生取决于旋转速度和磁场强度，和各种非轴对称不稳定的流动观察。我们发现，边界的存在所产生的不稳定性与磁旋转不稳定性（MRI）呈现惊人的相似之处。为此，我们将我们的数值结果与马里兰实验的实验观察进行比较，马里兰实验声称在类似的设置中观察MRI。
2011-06-01 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Drag reduction study of naturally occurring oscillating axial flow induced by helical corrugated surface in Taylor Couette flow
本文研究了泰勒-库埃特流中螺旋波纹表面诱导的自然振荡轴向二次流的减阻特性，发现其幅值随雷诺数增长的趋势可抑制方位涡量，最大减阻达13%，且效果优于纵向波纹表面。
2023-05-30 physics.flu-dyn
Pseudo--magnetorotational instability in a Taylor-Dean flow between electrically connected cylinders
本文研究了在螺旋形磁场作用下，两个无限长的理想导电圆柱体之间的环形空间中导电液体的Taylor-Dean型流动。圆柱体通过一个远程的、完全导电的端盖电连接，端盖允许径向电流通过液体。径向电流与磁场轴向分量相互作用产生方位电磁力，使基流的角动量径向向外减小，从而使基流不稳定。这种不稳定性，我们称之为伪磁旋转不稳定性（MRI），看起来像MRI，尽管其机制基本上是离心的。在螺旋磁场中，与磁场的方位分量相互作用的径向电流产生轴向电磁力，该轴向电磁力驱动纵向环流。首先，该环流平流输送由离心不稳定性产生的泰勒涡旋，这导致如螺旋MRI（HMRI）中的行波。然而，这种波的传播方向与真正的HMRI相反。第二，在足够强的差动旋转，纵向流成为流体动力学不稳定本身。对于螺旋磁场中的电连接圆柱体，在任何足够强的差动旋转下，流体动力学不稳定性都是可能的。在这种情况下，没有流体动力学稳定性限制定义的临界比率的旋转速率的内部和外部的圆柱体，将允许一个区分流体动力学不稳定性的HMRI。这些效应会严重干扰MRI的实验和数值测定。
2009-06-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Nonlinear evolution of magnetorotational instability in a magnetized Taylor-Couette flow: scaling properties and relation to upcoming DRESDYN-MRI experiment
本研究分析了磁化Taylor-Couette流中标准磁旋转不稳定性（SMRI）的非线性演化与饱和性质，发现磁能和扭矩随雷诺数等参数呈特定幂律标度，为即将进行的DRESDYN-MRI实验中识别SMRI提供了理论依据。
2023-07-27 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
The role of boundaries in the MagnetoRotational Instability
本文用数值方法研究了轴向磁场作用下导电流体在圆柱形泰勒-库埃特流中的流动。为了尽量减少由于垂直无滑移边界引起的埃克曼再循环，在垂直端盖处使用两个独立旋转的环。这种配置再现了旨在观察磁旋转不稳定性（MRI）的实验室实验中使用的设置。我们的三维全球模拟表明，分叉的性质，非线性饱和，和轴对称MRI模式的结构显着影响边界的存在。此外，当外加场足够强时，还可以得到大尺度的非轴对称模。我们发现，这些模式相关的Kelvin-Helmoltz不稳定的自由Shercliff剪切层所产生的共同作用的应用领域和旋转环在端盖。最后，我们比较我们的数值模拟最近在普林斯顿MRI实验中获得的实验结果。
2012-01-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Transition to chaos and modal structure of magnetized Taylor-Couette flow
Taylor-Couette流常被用来作为恒星和吸积盘内部复杂旋转流动的简化模型。这些物体中的流动动力学受到磁场的影响。例如，如果流体是导电的，泰勒-库埃特几何中的准开普勒流动对于外部磁场中的行波或驻波变得不稳定;即使当流动是流体动力学稳定时，也存在不稳定性。这种磁旋转不稳定性导致混沌状态的发展，并最终，湍流，当圆柱体旋转足够快。在这种流动中的湍流过渡可以是复杂的，与时空混沌和准周期行为的区域，涉及一个或两个额外的调制频率的参数区域的共存。虽然周期流的不稳定模式可以用Floquet分析来识别，但在这里我们采用了一种更灵活的无方程数据驱动方法。我们分析了磁化泰勒-库埃特流从过渡到混沌的数据，并用动态模式分解识别与调制频率相关的流结构;这种方法是基于用线性无限维Koopman算子近似非线性动力学。使用这些结构，可以构建一个非线性简化模型的过渡。
2022-11-10 physics.flu-dyn
Azimuthal Magnetorotational Instability at low and high magnetic Prandtl numbers
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是流体动力学稳定的准开普勒流（如控制吸积盘流）中最强大的湍流源之一。虽然这些流的线性稳定性与外加磁场已经研究了几十年，向外的角动量输运的不稳定性的影响，必要的吸积盘，仍然不是众所周知的。在这项工作中，我们模型开普勒旋转泰勒-库埃特流和施加方位磁场使用线性和非线性的方法。通过线性分析和直接数值模拟（DNS），我们提出了缩放的不稳定性与哈特曼数和雷诺数的两个磁普朗特数的$1.4 \cdot 10^{-6}$和$1$。在不稳定域内部，具有不同轴向波数的模式占主导地位，导致不稳定子域，这些子域对于每个$Pm$来说似乎不同。DNS显示$Pm=1$的1-和2-频率时空振荡结构的出现接近不稳定性的开始，以及$Pm=1$的角动量输运的显着增强相比，$Pm=1.4 \cdot 10^{-6}$。
2016-11-22 physics.flu-dyn
Convective, absolute and global azimuthal magnetorotational instabilities
本文研究了具有方位磁场的Taylor-Couette（TC）流中方位磁旋转不稳定性（AMRI）的对流和绝对形式。我们发现，对流AMRI的域比绝对AMRI的域更宽。实际上，绝对不稳定性对磁TC流实验是最相关和最重要的。绝对AMRI，不像对流的，留在设备中，显示可通过实验检测到的持续增长。我们还研究了全球AMRI在TC流的有限高度使用DNS，并发现其新兴的蝴蝶型结构-向上和向下的行波的形式的时空变化-是在一个非常好的协议与线性稳定性分析，这表明存在两个占主导地位的绝对AMRI模式的流动引起这个全球蝴蝶图案。
2021-05-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Observation of axisymmetric standard magnetorotational instability in the laboratory
我们报告的第一个直接证据轴对称标准磁旋转不稳定性（SMRI）从一个磁化的液体金属剪切流在泰勒-库埃特细胞与独立旋转和导电端盖的实验和数值研究相结合。当沿旋转轴施加均匀的垂直磁场$B_i$时，由于剩余Ekman循环的磁化，内筒上的测量径向磁场$B_r$随着小的磁雷诺数$Rm$线性增加。在实验和非线性数值模拟中，从$B_r$超过临界$Rm$的非线性增加中识别轴对称SMRI的开始。轴对称SMRI只存在于足够大的$Rm$和中间$B_i$，与理论预测一致的功能。我们的模拟进一步表明，轴对称SMRI导致的速度和磁场，以贡献一个向外通量的轴向角动量在体区域，就像它应该在吸积盘。
2022-09-18 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.flu-dyn
Azimuthal magnetorotational instability with super-rotation
它表明，方位角磁旋转不稳定性（AMRI）也与径向增加的旋转速率相反，需要负剪切的轴向场的标准磁旋转不稳定性。本文研究了在环形磁场作用下，当圆柱间的背景场为无电流时，具有正剪切的导电Taylor-Couette流的非轴对称扰动稳定性。对于小的磁普朗特数Pm->0，中性稳定性曲线收敛于哈特曼数/雷诺数平面内，近似于在无电感极限Pm=0时得到的稳定性曲线。Pm=0的数值解表明存在一个下限的剪切速率。对于大的Pm的曲线比例与外筒的磁雷诺数，但流动总是稳定的磁普朗特数单位是典型的双扩散不稳定性。我们特别感兴趣的是知道中性稳定性的最小哈特曼数。对于静止或几乎静止的内圆柱体和具有完美导电圆柱体材料的模型，最小哈特曼数发生在半径比为0.9时。相应的临界雷诺数小于10.000。
2017-12-13 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.flu-dyn
Identification of a non-axisymmetric mode in laboratory experiments searching for standard magnetorotational instability
标准磁旋转不稳定性（SMRI）是天体物理盘中湍流和快速吸积的一种很有前途的机制。它是一种磁流体动力学（MHD）不稳定性，使流体动力学稳定的磁盘流不稳定。由于其在天文距离上的微观性质和实验室实验的严格要求，SMRI自提出以来一直未经证实，尽管它在天体物理学上具有重要意义。在这里，我们报告了一个非轴对称的MHD不稳定性在一个修改的泰勒-库埃特实验。为了寻找SMRI，沿旋转的液态金属流的旋转轴施加均匀的磁场。不稳定性最初呈指数增长，变得突出，只有足够的流动剪切和中等磁场。这些条件的不稳定性是定性一致的SMRI，但在磁雷诺数低于预测的线性分析与周期性轴向边界。三维数值模拟，然而，再现所观察到的不稳定性，表明它线性增长的主要轴对称流修改所施加的磁场。
2022-09-17 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.flu-dyn
The weakly nonlinear magnetorotational instability in a local geometry
磁旋转不稳定性（MRI）是吸积盘物理学的一个基本过程，但其饱和机制仍然知之甚少。我们提出了一个多尺度分析的非理想MRI在弱非线性制度-也就是说，当最不稳定的MRI模式有一个增长率渐近接近零从上面。在这里，我们发展我们的理论在一个地方，笛卡尔渠道。我们的结果证实了Umurhan等人（2007）的发现，即扰动振幅遵循Ginzburg-Landau方程。我们进一步发现，当考虑双极扩散的影响时，具有剪切周期边界条件的局部MRI系统将出现Ginzburg-Landau方程。饱和方位角速度和垂直磁场的详细力平衡表明，即使当扩散效应是重要的，通过减少背景剪切和重排和加强背景垂直磁场的组合过程的整体流量饱和。我们直接模拟了我们系统的金兹伯格-朗道振幅演化，并证明了我们的模型在长尺度和时间尺度上预测的斑图形成。我们比较弱非线性理论的结果，在薄间隙泰勒库埃特流的MRI的直接数值模拟。
2017-04-28 astro-ph.HE physics.flu-dyn
On the stability of the Couette-Taylor flow between rotating porous cylinders with radial flow
本文研究了径向通流多孔圆柱间Couette-Taylor流动的稳定性。先前已经表明，如果径向雷诺数$R$（使用内圆柱及其半径处的径向速度构建）较高，则该流动相对于非轴对称（方位角或螺旋）波可能不稳定。在本文中，我们提出了一个非常详细的，在许多方面，新颖的图表中的$R$值适中的区域的临界曲线，我们表明，从$R$值开始，低至$10$，从无粘不稳定性继承的临界模式逐渐取代经典的泰勒涡。此外，我们还更仔细地研究了弱径向流（相对较低的$R$）对泰勒不稳定性的影响，并发现，如果圆柱之间的间隙足够宽，从内圆柱指向外圆柱的径向流能够稳定库埃特-泰勒流。这一观察结果与相对窄的间隙的情况形成鲜明的对比，对于相对窄的间隙，相反的效果是众所周知的。
2019-11-29 physics.flu-dyn
Laminar-turbulent coexistence in annular Couette flow
环空库埃特流是由内圆柱的轴向平移驱动的两个同轴圆柱之间的流动。它是使用直接数值模拟在长域，重点是层流湍流共存制度发现的雷诺数的值略低。当半径比$η$从0.8减小到0.5，最后减小到0.1时，证明了三种不同的流动状态。高$η$流态的特点是螺旋形紊流斑块与层流共存，如平面剪切流。中等- $η$状态不具有任何明显的层流-湍流共存。然而，为了消除限制效应，通过人为地将方位角跨度延伸超过2 $π$来恢复适当的图案化。最后，低$η$制度的特点是局部湍流结构不同的泡芙通常遇到的过渡管流。在这种新的共存状态下，动荡的波动是令人惊讶的短期。的影响进行了讨论的相变和临界缩放。
2019-10-06 physics.flu-dyn
Extending the range of the inductionless magnetorotational instability
磁旋转不稳定性（MRI）可以破坏流体动力学稳定的旋转流，从而允许在吸积盘的角动量输运。磁共振成像的一个臭名昭著的问题是它在低磁普朗特数区域的适用性值得怀疑，因为它们是原行星盘和黑洞周围吸积盘外部的典型区域。使用WKB方法，我们扩展了MRI的适用范围，证明了如果方位磁场的径向分布仅与无电流分布~ 1/r略有不同，则无感应形式的MRI（如螺旋MRI和方位MRI）很容易使开普勒分布~ 1/r^（3/2）不稳定。这样，我们进一步展示了以前已知的临界Rossby数的下限Ro=-0.828与上限Ro=+4.828之间的自然联系。
2013-06-04 astro-ph.SR math-ph math.MP
Nonlinear waves in stratified Taylor--Couette flow. Part 1. Layer formation
本文是对具有固定外圆柱的轴向分层Taylor-Couette流中混合的两方面研究的第一部分，即分层的形成和浮力的上涌。使用线性分析和直接的数值模拟，我们显示了非轴对称不稳定模式所发挥的关键作用，尽管事实上，该流是离心不稳定的意义上的瑞利准则。旋向相反的螺旋模式之间的相互作用导致形成非线性相干结构：（混合）-带和（混合）-交叉螺旋。这些产生了复杂的密度界面图案，似乎随着相干结构围绕环形物缓慢旋转而周期性地出现和消失。这些相干结构似乎是Oglethorpe等人（2013）最近实验中报告的层形成的原因。我们区分“动态分层”，瞬时的，本地化的和造成的旋涡运动，从“静态分层”对应于形成一个“楼梯配置文件”中的分类背景密度。后者只发生在足够大的施密特数，揭示了施密特数在分层过程中的显着影响。
2016-09-09 physics.flu-dyn
Astrophysical and experimental implications from the magnetorotational instability of toroidal fields
本文研究了两个共转无限长圆柱体之间的间隙中无电流环向场与差动旋转场的相互作用。结果表明，非轴对称扰动是不稳定的，如果旋转率和阿尔文频率的领域是相同的顺序，几乎无关的磁普朗特数Pm。对于很陡的转动律Ω \propto R^{-2}（瑞利极限）和较小的Pm，分别给出了具有通常雷诺数和哈特曼数的方位角磁转动不稳定性（AMRI）标度的转动和磁场阈值。基于这一发现，设计了一个实验室实验，在泰勒-库埃特容器中使用液态金属，如钠或镓。对于具有更平坦旋转定律的流体，雷诺数和哈特曼数不再是不稳定性的典型量。对于弱非线性系统，导出了磁普朗特数为\leq 1时的动能和磁能的数值。我们发现，磁能随磁雷诺数Rm单调增长，而动能随Rm/ \sqrt{Pm}增长。由此产生的湍流施密特数，作为“涡”粘度和被动标量（如锂）的扩散系数的比率是20的顺序为Pm=1，但对于小Pm它下降到为了统一。因此，在一个恒星的核心与化石领域和陡峭的旋转法律的角动量的运输AMRI总是伴随着激烈的混合等离子体，直到旋转变得刚性。
2013-11-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Taylor-Couette flow for astrophysical purposes
简要回顾了泰勒-库埃特流的天体物理实验和理论研究。感兴趣的流的差分旋转与内圆筒比外一个更快，但线性稳定对瑞利的无粘离心不稳定性。在剪切雷诺数高达10^6时，这种类型的流体动力学流动（准开普勒）似乎是非线性稳定的：没有看到不能归因于与轴向边界的相互作用而不是径向剪切本身的湍流。直接的数值模拟结果也是一致的，尽管它们还不能达到如此高的雷诺数。这一结果表明，吸积盘湍流不是纯粹的流体动力学的起源，至少在一定程度上，它是由径向剪切驱动。然而，理论预测了天体物理盘中的线性磁流体动力学（MHD）不稳定性：特别是标准磁旋转不稳定性（SMRI）。针对SMRI的MHD Taylor-Couette实验受到液态金属的低磁性普朗特数的挑战。需要高流体雷诺数和仔细控制轴向边界。对实验室SMRI的探索得到了回报，发现了SMRI的一些有趣的无感应表亲，最近报道的成功证明了SMRI本身利用导电轴向边界。一些突出的问题和近期的前景进行了讨论，特别是与天体物理学。
2022-12-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.IM
Numerical and Experimental Investigation of Circulation in Short Cylinders
在准备的磁旋转不稳定性（MRI）在液体金属的实验研究中，我们探讨库埃特流具有高度可比的圆柱体之间的间隙，离心稳定的旋转，和高雷诺数。在水中的实验进行了比较与数值模拟。模拟结果表明，与外柱共转的端盖驱动一个强极向环流，重新分配角动量。预测的方位流剖面与实验测量结果吻合良好。正如层流埃克曼环流所预期的那样，自旋下降时间与雷诺数成比例; $Re\le 3200$二维模拟的外推结果与$Re\sim 10^6$的实验结果非常吻合。这表明湍流并不支配有效粘度。进一步详细的数值研究表明，一个强大的径向向内流动附近的两个端盖。在沿内圆柱垂直转向后，这些流动在中平面处会聚，并以径向射流离开边界。为了最小化MRI实验中的这种循环，提出了由多个差动旋转环组成的端盖。模拟预测，一个适当的近似理想的库埃特轮廓可以得到几个环。
2004-05-24 astro-ph physics.comp-ph physics.flu-dyn
Kinematic dynamo in spherical Couette flow
我们调查数值运动发电机驱动的两个同心差分旋转的球体之间的壳，通常被称为球形Couette流配置的导电流体的流动。我们比较轴对称（2D）和全三维流之间，低和高的全球旋转速率之间，逆时针和逆行差分旋转之间，弱和强的非线性惯性力之间，绝缘和导电边界之间，以及两个纵横比。主要结果如下。方位漂移Rossby波所产生的Stewartson剪切层的不稳定是至关重要的发电机行动。差动旋转和螺旋Rossby波相结合，有助于球形库埃特发电机。在一个缓慢的全球旋转速率，差异旋转的方向起着重要的作用，发电机，因为不同的模式的Rossby波在逆行和逆行流。在一个快速的全球旋转速率，更强的流超临界（即差分旋转速率的流量和非轴对称不稳定性的发病临界值之间的差异）有利于发电机行动的发病。一个导电的磁边界条件和较大的纵横比都有利于发电机的行动。
2012-08-06 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Analysis of azimuthal magnetorotational instability of rotating MHD flows and Tayler instability via an extended Hain-Lust equation
我们考虑一个不可压缩的导电和粘性流体的差分旋转流受到外部轴向磁场和方位角磁场，允许由外部的轴向电流的组合产生的流体和电流在流体本身。在这种情况下，我们推导出一个扩展版本的著名的Hain-Lust微分方程的径向拉格朗日位移，结合了轴向和方位角的磁场，差分旋转，粘度和电阻率的影响。本文将Wentzel-Kramers-Brillouin方法应用于扩展的Hain-Lust方程，导出了一个新的综合色散关系，用于三维扰动下流动的局部稳定性分析。我们确认，在低磁普朗特数的限制，其中的粘度的磁扩散率的比率为零，旋转流的径向分布的角速度超过刘极限，成为不稳定的受到各种各样的方位角磁场，所以是开普勒流。在色散关系的分析中，我们发现了一个新的长波长不稳定性的证据，这也被捕获的磁化泰勒-库埃特流的边值问题的数值解。
2021-10-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Connections between centrifugal, stratorotational and radiative instabilities in viscous Taylor-Couette flow
“Rayleigh线”$μ=η^2$（其中$μ=Ω_o/Ω_i$和$η=r_i/r_o$分别是内柱（下标“i”）和外柱（下标“o”）之间的旋转和半径比）被认为是非分层无粘Taylor-Couette流中轴对称和非轴对称模式的离心不稳定性（CI）的极限。已知反气旋旋转比超过这条线时会出现非轴对称平流旋转不稳定性（SRI），即轴向稳定分层泰勒-库埃特流的$η^2<μ<1$，但CI和SRI在$μ<η^2$范围内的竞争尚未得到解决。在本文中，我们在有限雷诺数Re下建立了两种不稳定性之间的连续联系，正如M。Le Bars & P. Le Gal，Phys. Rev. Lett. 99，064502（2007），使得它们在开始时无法区分。这两种不稳定性也连续连接到有限Re的辐射不稳定性。这些结果表明，复数冲击粘度对该流动的线性稳定性具有影响。与无粘理论的其他几个定性差异被发现，其中一个非轴对称模式的不稳定性本地化的外圆柱没有分层，和不稳定的模式传播对内圆柱旋转分层。粘性和分层的结合也可能导致（轴对称）泰勒涡分支之间的“碰撞”，导致在过去的实验中已经观察到的轴对称振荡状态。也许更令人惊讶的是离心式的螺旋模式超出瑞利线的不稳定性，所造成的分层和粘度的联合效应。阈值$μ=η^2$似乎仍然是，然而，一个不可逾越的轴对称模式的不稳定性限制，无论分层，粘度，甚至扰动幅度。
2016-09-21 physics.flu-dyn
Nonlinear waves in stratified Taylor--Couette flow. Part 2. Buoyancy flux
本文是对具有固定外圆柱的轴向分层Taylor-Couette流中混合的两方面研究的第二部分，即分层的形成和浮力的上涌。在第一篇论文中，我们表明，流动的动力学主要是由叠加的非线性波的相干结构。（混合）-丝带和（混合）-交叉螺旋线之间的相互作用产生的一对线性不稳定的螺旋模式相反的“handedness”，似乎是负责形成良好的混合层和尖锐的密度界面。在本文中，我们表明，这些结构也完全负责向上的浮力通量的模拟。发生这种情况的机制是最具能量的波的密度和垂直速度分量之间的正耦合。这种耦合主要是由扩散的密度在低施密特数Sc，但也可以是一个非线性效应在较大的Sc。湍流被发现有助于负浮力通量在Sc= 1，10，16，这导致的结论，即质量上涌是一个混乱的平流的后果，即使在大雷诺数。因此，牺牲性地分离相干结构导致来自DNS的通量Richardson数Ri_f的良好估计。我们还使用Winters等人（1995）的理论框架来分析开放控制体积中混合的能量学，阐明了端部效应对势能收支的影响。还讨论了Oglethorpe等人（2013年）最近实验中浮力通量测量的潜在联系。
2016-09-09 physics.flu-dyn
Destabilization of rotating flows with positive shear by azimuthal magnetic fields
根据瑞利准则，当旋转流的比角动量径向向外增加时，旋转流是线性稳定的。只要角速度向外减小，著名的磁旋转不稳定性就为使这些流动不稳定开辟了一条道路。使用短波长近似，我们证明，即使是非常陡峭的正剪切流可以不稳定的方位角磁场，这是在流体中的电流。我们说明了这种不稳定性的旋转增强扭结型不稳定性的情况下，在流体中的均匀电流的过渡，并讨论了观察它在磁化泰勒-库埃特流的前景。
2015-11-12 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The effect of split endcaps on the flow dynamics in a tall Taylor-Couette setup
本文研究了高雷诺数下分裂端帽对塔雷-库埃特流动动力学的影响，发现端帽会降低磁旋转不稳定性（MRI）的临界阈值，促进其在相关实验中的出现。
2025-12-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Diffusive MHD Instabilities: Beyond the Chandrasekhar Theorem
本文研究了轴向无限圆柱流的磁流体动力学稳定性，其中包含一个与线性方位速度具有相同径向轮廓的环形磁场背景场。对于理想流体，如果阿尔芬速度等于背景流的速度，那么Kazrasekhar（1956）已经证明了这种构形的稳定性。然而，对于瑞利线上的磁化泰勒-库埃特流，对于有限扩散率，这种流对非轴对称扰动变得不稳定，其中旋转速率的临界磁雷诺数不依赖于磁普朗特数Pm，如果Pm << 1。为了研究这种新的扩散方位角磁旋转不稳定性，考虑了具有相同径向轮廓但具有不同振幅的流和场。当Pm << 1时，具有最弱磁场和最慢自转速率的不稳定区域位于阿尔芬速度和自转速度等幅的Erasekhar线以下。我们发现，然后与雷诺数和哈特曼数标度的边缘不稳定线。不稳定性所需的场强和旋转速率的最小值（略微）随着越来越平坦的旋转而增长。最后，背景场的相应电流变得如此之强，以至于泰勒不稳定性（即使没有旋转也存在）也出现在小哈特曼数的分叉映射中，取代了所有的方位角磁旋转不稳定性。
2014-07-01 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Local instabilities in magnetized rotational flows: A short-wavelength approach
我们进行了局部稳定性分析的存在下，一个恒定的垂直磁场和方位角磁场与一般的径向依赖性的旋转流。采用短波长近似，我们开发了一个统一的框架调查的标准，螺旋，和方位角版本的磁旋转不稳定性，以及电流驱动的扭结型不稳定性。考虑到粘性和电阻设置，我们的主要焦点是小磁普朗特数的情况，例如，不仅适用于液态金属实验，而且适用于吸积盘的较冷部分。我们表明，以前被认为是局限于陡峭的旋转配置文件的无感应版本的MRI扩展以及开普勒的情况下，如果只有方位场稍微偏离其电流自由（在流体中）的配置文件。我们找到了一个明确的标准分离纯方位无感磁旋转不稳定性的制度，这种不稳定性与泰勒不稳定性混合。我们进一步证明，对于特定的参数配置的方位角MRI起源作为一个耗散引起的不稳定性的理想磁流体力学的Ehrasekhar的均分解决方案的结果。
2014-09-28 astro-ph.SR math.DS physics.flu-dyn
Linear instability in thermally-stratified quasi-Keplerian flows
针对磁旋转不稳定性无法解释原行星盘死区角动量输运的问题，研究发现径向热分层可在准开普勒流动中引发热流体动力学线性不稳定性，给出了标度关系与参数影响规律，完善了热致不稳定转变路径。
2024-10-07 astro-ph.EP physics.flu-dyn
