Energy Dissipation in Magnetohydrodynamic Turbulence: Coherent Structures or "Nanoflares"?
通过识别耗散结构和测量其特征尺度，研究了磁流体动力学（MHD）湍流中能量耗散的不稳定性。我们发现能量耗散率的概率分布呈现指数非常接近临界值-2.0的幂律尾部，这表明所有强度的结构对能量耗散的贡献是相等的。我们发现，能量耗散均匀分布在长度和宽度在惯性范围内的相干结构。与此同时，这些结构的厚度在耗散区很深。随着雷诺数的增加，结构变得更薄和更多，而能量耗散继续主要发生在大尺度相干结构中。这意味着，在高雷诺数的限制，能量耗散发生在薄的，紧密包装的电流片，但跨越连续的规模高达系统的大小，表现出的相干结构和nanoflares的功能，以前作为一个日冕加热机制。
2014-09-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetohydrodynamic kink waves in nonuniform solar flux tubes: phase mixing and energy cascade to small scales
磁流体动力学（MHD）扭折波在太阳大气中是普遍存在的。这些波的传播和衰减可能对太阳大气介质中能量的传输和耗散起着相关的作用。然而，在大气等离子体中，横向MHD波能量的耗散的粘性或电阻率需要非常小的空间尺度是有效的。在这里，我们从理论上研究了在非均匀太阳磁通量管由于相位混合的MHD扭结波的小尺度的产生。我们超越了基于全局准模存在的通常方法，该全局准模由于共振吸收而随时间衰减。相反，我们使用一个模式的扩展来表示MHD扭结波作为一个叠加的阿尔文连续模式，相位混合随着时间的推移。这两种技术的比较表明，模态分析是更物理透明的，并描述了全球扭结运动的阻尼和小尺度的建立，由于相混合。此外，我们讨论了共振吸收和相位混合的过程是密切相关的。它们代表了相同的基本物理机制的两个方面：由于自然发生的等离子体和/或磁场不均匀性，从大尺度到小尺度的能量级联。这一过程可能为太阳大气等离子体中横向MHD波能量的有效耗散提供必要的条件。
2015-02-13 astro-ph.SR
Avalanches in Magnetohydrodynamical simulations
本文通过分析两个不同MHD模拟中的电流片与耗散事件，发现磁能耗散和寿命呈跨设置一致的幂律分布，低等离子体β区域具有类似雪崩模型的自组织临界行为。
2025-09-29 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Role of Non-Ideal Dissipation with Heating-Cooling Misbalance on the Phase Shifts of Standing Slow Magnetohydrodynamic Waves
我们分析的相位变化的常设，慢磁流体动力学（MHD）波在太阳日冕环使用线性MHD模型考虑到热传导性，压缩粘度，辐射损失，和加热-冷却不平衡的作用。我们估计了密度和温度扰动相对于速度扰动的时间和空间相移，并计算了密度和温度扰动之间的相位差。压缩粘度的整体意义被认为是可以忽略不计的大多数环路中考虑的研究。对于具有高背景密度和/或低背景温度的环路，辐射损失（具有加热-冷却不平衡）的作用被发现是更显着的。此外，加热-冷却不平衡与温度和密度相关的加热功能的效果被发现是更显着的情况下，较长的环路长度（$L=500$ \，毫米）。我们导出了多变指数[ $γ_{\rm eff}$ ]的一般表达式，发现在线性MHD下，压缩粘度对多变指数的影响可以忽略不计。恒定加热的辐射损失导致$γ_{\rm eff}$随着密度的增加而单调增加，而假设的加热函数[ $H(ρ,T) \propto ρ^{a}T^{b}$，其中$a=-0.5$和$b=-3$ ]的考虑使得$γ_{\rm eff}$在一定的环密度处达到峰值。我们还通过改变自由参数$a$和$b$来研究不同加热函数的作用，对于固定的环$ρ_0 = 10^{-11}$ \，kg $\text{m}^{-3}$，$T_0 = 6.3$ \，MK和环长$L= 180$ \，Mm，我们发现考虑不同的加热函数[ $H(ρ,T)$ ]导致密度和温度扰动之间的相位差的显著变化…
2021-12-09 astro-ph.SR
Reynolds-number dependence of the dimensionless dissipation rate in homogeneous magnetohydrodynamic turbulence
本文研究了在外力作用下，定常和非定常磁流体（MHD）湍流的无量纲耗散率$C_{\varepsilon}$的行为。结合前人对自由衰减MHD湍流的研究，本文得到了适用于均匀MHD湍流的最一般的$C_{\varepsilon}$模型方程，并对单位磁普朗特数下无量纲总能量耗散率随雷诺数的变化进行了全面的数值研究。我们进行了一系列中高分辨率的直接数值模拟机械强制固定MHD湍流，以验证模型方程的预测固定的情况下。此外，非普适性的问题进行了讨论的外力的影响，以及交叉和磁螺旋度的水平。渐近线$C_{\varepsilon,\infty}$的测量值位于自由衰变的$0.193 \leqslant C_{\varepsilon,\infty} \leqslant 0.268$之间，其中该值取决于交叉和磁螺旋度的初始水平。在平稳的情况下，我们测量$C_{\varepsilon,\infty} = 0.223$。
2017-01-04 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Statistical analysis of intermittency and its association with proton heating in the near Sun environment
我们使用帕克太阳探测器的前六次遭遇的数据，并采用增量的部分方差（$PVI$）的方法来研究相干结构的统计特性，在日光层内的目的是探索磁场不稳定性和可观察到的后果，如等离子体加热和湍流耗散之间的物理联系。我们的研究结果支持质子加热定位在附近，并强烈相关，磁结构的特点是$PVI \geq 1$。我们表明，平均而言，这些事件构成的数据集的$\approx 19\%$，虽然可能会发生变化，这取决于等离子体参数。我们发现，在较低的$WTs$的幂律缩放后，在所有六个遭遇的等待时间分布（$WT$）是一致的。这一结果表明，相干结构在太阳风中并不是均匀分布的，而是倾向于紧密相关并形成集群。我们观察到，最强的磁不连续性，$PVI \geq 6$，通常与重联排气，是磁能量在质子加热局部耗散的网站，并与质子温度的最突然的变化。然而，由于这类事件很少，它们对能量耗散的相对贡献很小。考虑到聚集效应，我们发现，更小的规模，更频繁的结构与PVI之间，$1\lesssim PVI \lesssim 6$，发挥主要作用的磁能量耗散。这些事件的数量密度与全球太阳风温度密切相关，密集的间隔与较高的$T_{p}$相关。
2022-01-26 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonuniversality and finite dissipation in decaying magnetohydrodynamic turbulence
本文从实空间能量平衡方程出发，导出了无平均磁场下均匀磁流体动力学湍流无量纲耗散率随雷诺数变化的模型方程，得到了$C_{\varepsilon}=C_{\varepsilon, \infty}+C/R_- +O(1/R_-^2))$，其中$R_-$为广义雷诺数。常数$C_{\varepsilon, \infty}$描述了总能量转移通量。这个通量取决于磁螺旋度和交叉螺旋度，因为它们影响能量的非线性传递，这表明$C_{\varepsilon,\infty}$的值不是普适的。直接数值模拟进行了高达$2048^3$网格点，数据和模型之间显示出良好的协议。该模型表明，宇宙尺度的磁场的大小是由矢量场相关性的值控制。这里介绍的思想可以用来推导类似的模型方程的其他湍流系统。
2015-05-12 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic turbulence spectra and intermittency in the heliosheath and in the local interstellar medium
对日鞘中惯性尺度动力学的理解还不彻底。在这里被认为是提供准确的和高分辨率的统计在不同的等离子体条件之间的88和136 AU的磁场波动的内日鞘（IHS）和本地星际介质（LISM）。通过使用独特的原位48秒测量从旅行者号星际任务，我们调查不同的波动制度在磁流体动力学（MHD）尺度，下到MHD动力学过渡。我们专注于超过五个频率十年（5 × 10-8 < f < 10-2 Hz）的尺度范围，这在文献分析中是前所未有的。IHS中单极和扇形区域的8个间隔和LISM中4个间隔的一组磁场数据用于分析。结果阐述的功率谱密度，频谱压缩性，结构功能，和磁场增量的不稳定性。在日鞘中，我们确定的能量注入制度显示~1/f能量衰减，和惯性级联制度。在这里，功率谱是各向异性的，并且由压缩模式主导，具有可以达到高达10的峰度值的双曲性。在星际介质中，湍流的结构也是各向异性的，在2015年5月之后，横向波动明显盛行。在这里，我们表明，间歇性的功能只发生在小于10-6赫兹的尺度。
2019-06-17 astro-ph.SR physics.space-ph
Coronal Loop Heating by Nearly Incompressible Magnetohydrodynamic and Reduced Magnetohydrodynamic Turbulence Models
光波和湍流在光球层之外的传输是日冕加热问题的核心。采用近不可压缩磁流体动力学（NI MHD）理论模拟了宁静日冕中的湍流，描述了低频湍流在开放磁场区的输运。它描述了耦合的多数准二维和少数板组件的演变，驱动的磁地毯和平流的亚音速，亚Alfvenic流从较低的日冕。本文将NI MHD湍流传输模型与日冕MHD模型耦合，研究日冕环中的加热问题。在一个现实的基准日冕环问题，我们发现，一个环可以加热到150万K的运输和耗散的MHD湍流所描述的NI MHD模型。我们还发现，大多数2D组件是作为重要的少数板组件在加热的冕环。我们比较我们的耦合MHD/NI MHD模型的结果与简化MHD（RMHD）模型。这些模型之间的一个重要区别是，RMHD解决了小规模的速度和磁场波动，并获得与它们的演变相关的实际粘性/电阻耗散，而NI MHD演变的波动速度和磁场的标量矩和近似耗散使用MHD湍流现象。尽管模型之间存在基本差异，但它们的模拟结果非常匹配，在日冕内部产生几乎相同的加热速率。
2023-01-11 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A Multistate Low-dissipation Advection Upstream Splitting Method for Ideal Magnetohydrodynamics
我们开发了一个新的数值方案理想磁流体动力学（MHD）模拟，这是强大的一维和多维冲击，低马赫数流动和不连续性是准确的。该方案属于一个家庭的平流上游分裂方法在计算空气动力学，它分裂的无粘通量在MHD方程的平流，压力和磁张力部分，然后分别评估质量，压力和磁张力通量在一个计算单元的接口。质量通量的设计，以避免数值激波不稳定性在多维，同时保持接触的不连续性。对于低马赫数流动，压力通量具有适当的比例，从而可以可靠地模拟几乎不可压缩的流动。磁张力通量的建立是一致的HLLD近似黎曼求解器，以保持旋转不连续性。我们演示了各种基准测试，以验证该计划的新颖性能。我们的研究结果表明，该计划必须是一个有前途的工具，以解决天体物理系统，包括低和高马赫数流，以及磁场不均匀性。
2020-04-17 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
The statistics of a passive scalar in field-guided magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流的各种研究调用理论的湍流波动的一个被动标量平流。例子包括模拟星际介质中的电子密度波动，了解星系团和星系间介质的化学成分，并测试磁流体动力学湍流的流行现象学理论。虽然被动标量湍流已被广泛研究的流体动力学的情况下，其对应的MHD湍流是显着不太好理解。在这里，我们进行了一系列的高分辨率直接数值模拟不可压缩，场引导，MHD湍流，以建立被动标量演化的基本属性。我们研究了标量的各向异性，建立了类似于Yaglom定律的标度关系，并测量了被动标量统计量的不对称性。我们还评估在何种程度上的伪阿尔芬波动强MHD湍流可以模拟为一个被动标量。结果表明，被动标量在MHD湍流的动力学是相当复杂的比在流体动力学的情况下。
2014-09-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Scaling properties of small-scale fluctuations in magnetohydrodynamic turbulence
磁流体动力学（MHD）湍流在大多数自然系统中，包括星际介质，太阳日冕，和太阳风，有雷诺数远远超过雷诺数在数值实验中可实现的。因此，小尺度波动的普遍标度特性引起了人们的极大关注，这些特性可以在模拟中可靠地测量，然后外推到天体物理尺度。然而，与流体动力学湍流，其中的惯性和耗散间隔的通用结构所描述的Kolmogorov自相似性相比，MHD湍流的缩放不能建立仅仅基于尺寸参数，由于存在一个内在的速度尺度-阿尔芬速度。在这封信中，我们证明了Kolmogorov第一自相似性假设不能以同样的方式制定为MHD湍流，它是制定为流体动力学的情况下。除了深刻的后果的分析考虑，这也提出了严格的条件，MHD湍流的数值研究。与流体动力学情况相比，MHD湍流数值模拟中的离散化尺度应比耗散尺度减小得更快，以便模拟随着雷诺数的增加而保持解析。
2014-09-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Intermittent, Reflection-Driven, Strong Imbalanced MHD Turbulence
本文提出考虑间歇性和阿尔芬波反射的强不平衡MHD湍流唯象模型，其谱斜率和标度指数预测与帕克太阳探测器观测吻合，并揭示反射驱动间歇性会增强小尺度平行波数，从而可能增加太阳风和日冕中的离子回旋加热。
2025-02-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Generalized Magnetofluid Connections in Relativistic Magnetohydrodynamics
将磁连接的概念推广到非理想相对论磁流体等离子体。采用相对论性磁流体动力学的一般方程组，包括热惯性，热电动势，霍尔和电流惯性效应，我们推导出一个新的协变连接方程显示广义磁流体连接的存在，保持在无耗散等离子体动力学。这些连接与统一电磁场和流场的一般反对称张量密切相关，允许将磁连接概念扩展到更广泛的概念。
2015-02-26 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Energy dynamics and current sheet structure in fluid and kinetic simulations of decaying magnetohydrodynamic turbulence
用流体和动力学程序对衰减磁流体动力学（MHD）湍流进行了模拟。初始条件是长波长、反向传播的剪切阿尔芬波的集合，它们相互作用并迅速产生强MHD湍流。总能量守恒和湍流能量衰减率是非常相似的两个代码，虽然流体代码有数值耗散，而动力代码有动力耗散。惯性距离功率谱指数在两个代码中是相似的。流体代码显示垂直波数谱斜率为$k_{\perp}^{-1.3}$。动力学代码示出了用于较小模拟域的$k_{\perp}^{-1.5}$的谱斜率，以及用于较大域的$k_{\perp}^{-1.3}$的谱斜率。我们估计，无碰撞阻尼机制的动力学代码可以解释所观察到的非线性能量级联的耗散。对当前图纸进行几何特征化。它们的长度和宽度在两个代码之间是很好的协议。长度与湍流的驱动尺度成线性比例。在流体代码中，它们的厚度由网格分辨率确定，因为没有显式扩散率。在动力学代码中，它们的厚度非常接近趋肤深度，而与网格分辨率无关。这项工作表明，动力学代码可以再现MHD惯性范围内的动态在大尺度上，而在同一时间捕获重要的动力学物理在小尺度上。
2015-06-01 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Temporal Analysis of Dissipative Structures in Magnetohydrodynamic Turbulence
在湍流等离子体中，能量耗散是高度间歇性的，局限于相干结构，如电流片。空间耗散结构的统计分析是研究湍流的有效途径。在本文中，我们推广这种方法来研究四维时空结构，即，耗散过程代表相互作用的相干结构，这对应于耀斑在天体物理系统。我们开发的方法识别和表征这些过程，然后进行统计分析的耗散过程中驱动磁流体动力学湍流的数值模拟。我们发现，过程往往是高度复杂的，长寿命的，弱不对称的时间。他们表现出强大的幂律概率分布和标度关系，包括与幂律指数接近-1.75的耗散能量的分布，表明强烈的耗散事件占主导地位的整体能量耗散。我们比较我们的结果与以前观察到的统计特性的太阳耀斑。
2015-06-28 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
