Effect of electromagnetic boundary conditions on the onset of small-scale dynamos driven by convection
我们提出了一个高阶的数值研究的依赖发电机发病不同的电磁边界条件，在对流Boussinesq流迫使温度梯度。完美的传导边界，真空，和混合电磁边界条件被认为是，使用的方法，治疗领域和边界条件接近频谱精度。有一个或两个导电边界极大地促进了发电机的动作。对于混合的情况下，它示出的临界磁雷诺数成为独立的瑞利数，Ra，足够大的Ra。
2023-02-11 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Energy pathways in large- and small-scale convection-driven dynamos
利用直接数值模拟方法研究了瑞利-贝纳德对流驱动的旋转平面层发电机中速度与磁场之间的能量传递途径。动能和磁能被分为平均和湍流分量，以研究与大型和小型发电机相关的生产，运输和耗散。这种基于能量平衡的表征揭示了发电机中大尺度和小尺度磁场产生的不同机制，这取决于速度场的性质和边界处施加的条件。
2022-12-18 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Prandtl number dependence of convection driven dynamos in rotating spherical fluid shells
普朗特数$P$的值对充满导电流体的旋转球壳中的对流驱动发电机产生强烈的影响。低普朗特数通过由差动旋转提供的剪切促进发电机作用，而磁场的产生在高普朗特数流体中更难以维持，其中需要更高的磁性普朗特数$P_m$值。发电机理论中经常使用的磁旋近似似乎只对相对较高的$P$和$P_m$值有效。具有最小值$P_m$的发电机似乎在对流柱存在下在$P$的适度低值下最容易实现。磁场的结构随着$P$的变化而变化，在$P$的高值时，发现具有强轴向偶极场的发电机，而在$P$的低值时，该分量的能量被轴对称环向场的能量和非轴对称分量的能量超过。本文讨论了由导电液核运动产生行星磁场的问题。
2009-10-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Magnetic energy dissipation and mean magnetic field generation in planar convection driven dynamos
发电机在旋转对流平面层的数值研究的重点是磁能和耗散率，和平均场的产生（其中的平均值是采取在水平面）。与通量瑞利数的磁能的缩放是不同的缩放球壳中提出的，而相同的依赖性的磁耗散长度上的磁雷诺数被发现的两种几何形状。在快速旋转的对流平面层中，存在有平均场和无平均场的发电机。
2014-06-23 physics.flu-dyn physics.geo-ph physics.plasm-ph
Effects of shell thickness on cross-helicity generation in convection-driven spherical dynamos
研究了旋转球壳中螺旋度和交叉螺旋度电动发电机效应对混沌热对流自持磁场产生的相对重要性，并将其作为球壳厚度的函数。发电机解决方案的两个不同的分支被发现共存于直接数值模拟壳的纵横比在0.25和0.6之间的平均场偶极制度和波动偶极制度。的特性表征共存的发电机吸引子进行了比较和对比，包括磁场和旋转热对流的时间行为和空间结构的差异。螺旋度$α$ -效应和交叉螺旋度$γ$ -效应被认为是在波动偶极发电机制度，其中它们的比例不随壳厚度显着变化的强度相媲美。与此相反，在平均场偶极发电机制度的螺旋$α$ -效果占主导地位的约两个数量级，并成为更强的壳厚度减小。
2020-12-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Regimes of thermo-compositional convection and related dynamos in rotating spherical shells
地球和行星内部的对流和磁场产生是由热梯度和成分梯度驱动的。本文对快速旋转球壳中充满不可压缩双组分导电流体的有限振幅双扩散对流和发电机作用进行了数值模拟。在最近的线性分析中确定了四种不同的旋转双扩散对流状态（Silva等人，2019年，地球物理学。占星术。流体动力学，doi：10.1080/03091929.2019.1640875）在不稳定开始后持续存在，而其状态转换仍然是突然的。在半对流和指状制度的特征流速是小的相比，在热和成分为主的翻转制度，而纬向流仍然很弱，除了热为主的所有制度。成分占主导地位的翻转对流表现出显着较窄的方位角结构相比，所有其他制度，而差分旋转成为占主导地位的流动成分，在热为主的情况下，驱动增加。发电机作用发生在除了指进对流以外的所有区域。虽然发电机坚持在半对流制度，他们是非常小的流量强度和非常弱的差分旋转在这个制度，使极向到环向场转换成问题。发电机在热占主导地位的制度，包括振荡的偶极，四极和多极的情况下，类似于从早期的参数研究。发电机的成分占主导地位的制度表现出柔和的时间变化，并保持主要是由于弱纬向流在这个制度的偶极。这些结果大大增强了我们对行星核心流和磁场的主要驱动因素的理解。
2020-04-25 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection-driven kinematic dynamos at low Rossby and magnetic Prandtl numbers
大多数大尺度行星磁场被认为是由低罗斯贝数对流的低磁性普朗特数流体。在这里，运动发电机行动的渐近，快速旋转发电机模型的平面层几何形状，本质上是低磁普朗特数的影响。的热普朗特数和瑞利数的变化来说明流态的根本变化，从层流细胞对流地转湍流中存在的逆能量级联。对流产生发电机的效率降低，由临界磁雷诺数的增加确定，观察到的浮力强迫增加。这种降低的效率可能是由于与所产生的流动的日益无序的状态相关联的相关性的损失以及局部增强磁扩散的边界层行为。我们发现，空间特性的$α$，从而大规模的磁场，是依赖于只有微弱的变化，在流动行为。然而，我们的研究结果仅限于线性，运动发电机政权，未来的模拟，包括洛伦兹力，因此有必要评估这一结果的鲁棒性。与大尺度磁场相反，小尺度磁场的行为直接取决于小尺度对流场，因此表现出与小尺度对流场的显著变化。
2016-07-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Small-scale dynamos in simulations of stratified turbulent convection
小规模的发电机行动往往被认为是造成宁静的太阳磁场。我们的目的是确定在非旋转湍流对流在低磁普朗特数的小规模发电机的激励条件和饱和水平。我们使用高分辨率的直接数值模拟弱分层湍流对流。我们发现，发电机激励的临界磁雷诺数增加的磁普朗特数减少，这可能表明，小规模的发电机行动是不自动明显的机构与小磁普朗特数的太阳。作为磁雷诺数（${\rm Rm}$）的函数，发电机的增长率是一致的${\rm Rm}^{1/2}$缩放。未发现${\rm Rm}$的生长速率对数增加的证据。
2018-02-26 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Solar cycle properties described by simple convection-driven dynamos
旋转球壳中对流产生磁场的简单模型，其性质与在太阳上观察到的相似。这些模型中的Boussinesq近似假设妨碍了对太阳活动周期的真实描述，但是通过物理上激发的对差分旋转边界条件的改变，发电机波向高纬度的传播至少在低纬度可以被逆转。
2011-12-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Direct numerical simulations of optimal thermal convection in rotating plane layer dynamos
本文研究了两平行平板间旋转平板层内对流驱动发电机的传热特性。在固定的旋转速率（Ekman数，$E=10^{-6}$）和流体性质（热和磁普朗特数，$Pr=Pr_m=1$）下，分别进行发电机对流（DC）和非磁旋转对流（RC）模拟，以标定不同热强迫（Rayleigh数，$Ra=3.83\times10^{9}-3.83\times10^{10}$）下磁场对热输运的影响。在这个范围内，我们的湍流解决模拟表明存在一个最佳的热强迫，在DC板之间的传热表现出最大的增强，相比，在RC模拟的热传输。与文献中报道的任何全局力平衡不同，本模拟揭示了\textit{thermal boundary layer}中洛伦兹力的增加，这是由于无滑移边界条件下壁附近的涡流拉伸了磁场线。这种洛伦兹力的增加减轻了由于科里奥利力引起的湍流抑制，导致增强的湍流和热传递
2021-10-04 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Spontaneous Formation of Surface Magnetic Structure from Large-scale Dynamo in Strongly-stratified Convection
我们报告的第一个成功的模拟自发形成的表面磁结构从一个大规模的发电机强分层热对流在笛卡尔几何。强分层模式中观测到的大尺度发电机的物理性质与弱分层模式中观测到的类似，表明产生这种发电机的机制是$α^2$型机制。除了大尺度发电机外，我们还发现，只有在强分层的情况下，对流层表面才会自发形成垂直磁场的大尺度结构。垂直磁场的组织在几十个对流翻转时间内在对流区上部进行，并在动力饱和阶段反复出现带状双极结构。我们研究了几个候选人的可能性作为起源的表面磁结构的形成，然后建议存在一个迄今未知的机制的大规模磁结构的自组织，这应该是固有的强分层对流大气。
2016-04-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Effects of kinematic and magnetic boundary conditions on the dynamics of convection-driven plane layer dynamos
利用DNS方法研究了不同运动学和磁场边界条件下的对流驱动快速旋转发电机。在一个固定的旋转速率下，由埃克曼数$E=5\times10^{-7}$表示，热强迫在对流开始时的值（$\mathcal{R}=Ra/Ra_c=2-20$）的2到20倍之间变化，保持流体性质恒定（$Pr=Pr_m=1$）。发电机的统计特性、力平衡和热传输特性取决于决定边界层和内部动力学的边界条件。在一个固定的热强迫（$\mathcal{R}=3$），在粘性边界层的存在下，埃克曼羽流导致高能量的涡，导致更高的拟能和动力学螺旋度与无滑移边界相比，自由滑移边界。磁场的结构和强度也由边界条件决定。虽然主导秩序的力量平衡仍然是地转，洛伦兹力占主导地位的热边界层内无滑移，导电壁。在这里，洛伦兹功项中的湍流动能预算被发现有组件，交换能量从速度场的磁场，反之亦然。然而，在无滑动绝缘壁的情况下，所有洛伦兹功分量执行单向能量传递以从流体的动能产生磁能。与非磁旋转对流相比，发电机中的传热增强在$\mathcal{R}=3-5$范围内表现出峰值。对于自由滑移条件，发电机的作用可以通过抑制大尺度涡的形成来改变热输运。然而，最高的传热增强发生时，边界是无滑动，导电壁。
2022-02-07 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Asymptotic behaviour of rotating convection-driven dynamos in the plane layer geometry
本文对Ekman数（$E$）、磁Prandt数（$Pm$）和Rayleigh数（$Ra$）范围内的平面层几何中旋转对流驱动的发电机进行了数值研究。调查的主要目的是比较结果的模拟与以前开发的渐近理论，适用于快速旋转的限制。我们发现，所有的模拟是在准地转制度中的科里奥利力和压力梯度力近似平衡的领先秩序，而所有其他的力量，包括洛伦兹力，作为扰动。结果表明，模拟结果与热力学、流速、磁场幅值和长度尺度的渐近标度结果基本一致，从大尺度发电机到小尺度发电机的过渡过程可以用基于小对流长度尺度的磁雷诺数$\widetilde{Rm}$来描述，当采用$\widetilde{Rm} \lesssim O(1)$时，大尺度发电机是最佳选择.观测到大尺度磁场的大小随着瑞利数的增加而饱和并变得近似恒定。能谱表明，所有的长度尺度存在于流场和小尺度磁场是一致的缩放的$E^{1/3}$，即使在湍流制度。对于一个固定的$E$值，我们发现，粘性耗散长度尺度是近似恒定的$Ra$的范围很宽;欧姆耗散长度尺度是近似恒定的大规模发电机制度内，但过渡到一个$\widetilde{Rm}^{-1/2}$缩放在小规模发电机制度。
2022-08-02 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Subcritical dynamos in rapidly-rotating planar convection
我们研究发电机行动使用数值模拟的平面Boussinesq对流在快速旋转（低埃克曼数，Ek），专注于亚临界发电机行动，其中发电机是持续的瑞利数，Ra，低于临界瑞利数的开始对流，Ra $_c$。这些解决方案是通过首先调查超临界制度，其中发电机能够产生一个大规模的磁场，显着影响对流运动，与相关的Elsasser数的顺序Ek $^{1/3}$。亚临界的解决方案，然后通过跟踪这个解决方案分支到亚临界状态，采取超临界解决方案，然后逐渐降低相应的瑞利数。我们发现，减少埃克曼数导致的Ra/Ra $_c$的亚临界范围的扩展，下降到最佳值的Ek $=10^{-5}$。对于磁普朗特数为1阶的情况，当小尺度对流驱动的发电机产生相对较强的大尺度磁场时，在较低的Ekman数下出现的大尺度模阻碍了亚临界性。大规模模式无法维持发电机的行动导致间歇性的行为，似乎抑制亚临界。亚临界解也对磁雷诺数（或等效地，磁普朗特数，Pm）的值敏感，因为磁雷诺数大于70的值需要产生发电机动作，但是大的值导致能够将系统推离亚临界分支太远并且朝向平凡传导状态的波动。
2020-11-12 physics.flu-dyn
Convection and Dynamo in Newly-born Neutron Stars
为了研究原中子星中磁流体动力学（MHD）对流及其发电机活动的性质，通过求解可压缩MHD方程、耦合核物质状态方程和简化的轻子输运方程，建立了“盒子中的PNS”模拟模型.作为示范，我们将其应用于两种不同内部结构的PNS模型：完全对流模型和球壳对流模型。通过改变模型的自旋速率，研究了PNS内部运行的对流和发电机的旋转依赖性。我们发现，作为旋转分层对流的湍流输送的结果，在所有的模型中的流动和热力学场的大尺度结构的发展。根据自旋速率和对流区的深度，不同的配置文件的大尺度结构，这可以被物理上理解为稳态解的“平均场”运动方程。除了这些流体动力学结构，在所有模型中，具有$\mathcal{O}(10^{15})$ G的大尺度磁分量也自发地组织在无序缠结的磁场中。自旋速率越高，大尺度磁分量越强。有趣的是，作为一个整体的趋势，完全对流模式比球壳对流模式具有更强的大尺度磁分量。对流区越深，对流涡的尺寸越大。因此，旋转约束的对流似乎更容易实现在完全对流模式，导致在那里的大规模发电机的效率更高。为了更好地理解NS磁场变化的原因，我们需要在更宽的参数范围内研究PNS发电机。
2021-11-03 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Helical distributed chaos in rotating turbulence and convection (with applications to geomagnetic dynamo)
利用螺旋分布混沌的概念研究了螺旋度分布矩在旋转湍流中的作用。直接数值模拟、室内实验和地球物理观测的结果已被用于本研究。它示出，特别是，即使在全球螺旋度等于零的情况下，至少偶矩通常是非零的（由于外观的局部空间区域具有较强的负和正螺旋度），并可以发挥重要的作用，在旋转湍流绝热不变量。旋转浮力驱动的热对流（瑞利-贝纳德和瑞利-泰勒，前者也用于磁流体力学）也进行了研究，并在这方面讨论了这种方法的应用，大质量恒星的对流区和地磁发电机。
2021-11-02 physics.flu-dyn
A Multiscale Dynamo Model Driven by Quasi-geostrophic Convection
在低罗斯贝数的限制下，建立了一个对流驱动的多尺度发电机模型，该模型适用于重力和旋转矢量一致的平面层几何结构。小尺度脉动动力学由磁修正的准地转的方程组描述，大尺度平均动力学由诊断热成风平衡控制。该模型采用三个时间尺度，分别表征对流时间尺度，大尺度磁演化时间尺度，和大尺度热演化时间尺度。对于一阶和低磁普朗特数的情况，导出了不同的方程。结果表明，低磁普朗特数模型的特点是由一个磁动能比是渐近大，欧姆耗散主导粘性耗散的大尺度。对于一阶磁普朗特数模型的磁场和动能均分和欧姆和粘性耗散都是弱的大尺度上，大尺度欧姆耗散发生在薄的磁性边界层相邻的固体边界。对于这两种磁普朗特数的情况下，埃尔萨瑟数是小的，因为洛伦兹力不进入领先的顺序力平衡。新模型可以被认为是最初由Childress和Soward [Phys.Rev.Lett.，\textbf{29}，第837页，1972年]。这些模型可能是有用的了解对流驱动发电机的动态制度，只是刚刚成为直接数值模拟。
2015-07-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-scale-vortex dynamos in planar rotating convection
最近的几项研究已经证明了大尺度涡旋如何在旋转平面对流中自发产生。在这里，我们研究发电机性能的旋转Boussinesq对流等流量。对于中等值的磁雷诺数（$100 \lesssim Rm \lesssim 550$，其中$Rm$基于盒深度和对流速度），产生大尺度（即系统尺寸）磁场。磁能的振幅随时间振荡，与大尺度涡旋的振荡振幅几乎异相。一旦磁场达到临界强度，大尺度涡旋就会被破坏，这表明这些振荡是磁源的。发电机机制依赖于那些长度尺度介于大尺度涡旋和典型对流单体尺寸之间的流动分量;不需要较小尺度的流动。尽管大尺度涡旋基本上是二维的，但它在磁感应强度中起着至关重要的作用;因此，我们将这种发电机称为大尺度涡旋发电机。对于较大的磁雷诺数，发电机是小规模的，具有在对流单体的规模达到峰值的磁能谱。在这种情况下，小尺度磁场通过破坏允许其形成的对流速度之间的相关性来持续抑制大尺度涡旋。因此，在高$Rm$时对大尺度涡旋的抑制可能限制了大尺度涡旋发电机与具有中等$Rm$值的天体（如行星）的相关性。在这种情况下，在低磁普朗特数的大规模涡流发电机的操作能力是极大的兴趣。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The Effect of Velocity Shear on Dynamo Action Due to Rotating Convection
最近的数值模拟发电机行动所造成的旋转对流揭示了一些严重的问题，在应用的标准图片的平均场电动力学在高值的磁雷诺数，从而强调了大规模的磁场发电机在这一制度的困难。在这里，我们考虑运动发电机过程中的旋转对流层的Boussinesq流体的附加影响的大规模水平速度剪切。剪切流的减弱增强了发电机的增长速率，并且还导致在大尺度上产生显著的磁场。通过频谱滤波技术，我们分析了主要负责发电机行动的速度模式，并表明，从全流产生的磁场依赖于速度场的尺度范围。对流体进行过滤，使剪切流和对流之间的尺度真正分离，也会导致发电机作用;然而，在这种情况下，磁场的结构与全速场产生的结构非常不同。我们还表明，发电机行动的性质是大致相似的，无论是否在没有剪切流可以支持发电机行动。
2012-11-22 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Behavior of hydrodynamic and magnetohydrodynamic turbulence in a rotating sphere with precession and dynamo action
在不可压缩流体力学（HD）和磁流体力学（MHD）两种情况下，采用直接数值模拟的方法研究了旋转充液球体中的进动效应。在这两种情况下的渐近状态和它的依赖旋转和进动频率进行了分析。对于磁流体的情况下没有自我维持发电机被发现的逆行进动的情况下，而在另一方面，一个关键的逆行进动频率被发现以上的发电机行动是自我维持。人们还发现，这些对应于小规模的发电机与发达的湍流制度。此外，它被观察到的存在下的反转的磁偶极矩与更大的等待时间之间的反转较小的进动频率。
2022-12-12 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Dynamo Effects Near The Transition from Solar to Anti-Solar Differential Rotation
MHD数值模拟在理解恒星磁性机制方面发挥着越来越重要的作用。我们提出了模拟的对流和发电机在密度分层的旋转球壳流体。我们采用了一个新的三维模拟代码的物理一致的滞弹性模型的过程中的最小数量的参数的解决方案。报道的发电机模拟延伸到一个“浮力主导”制度，浮力强迫是占主导地位的，而科里奥利力不再平衡的压力梯度和强大的反太阳能差分旋转的发展结果。我们发现，自生磁场，尽管是相对较弱的，是能够扭转的差异旋转的方向，从反太阳的太阳。我们还发现，在这个制度中的对流明显强于在赤道地区的极地地区，导致非振荡偶极子为主的发电机解决方案，并在极地地区的磁场的浓度。我们观察到，对流有不同的形态在内部和外部的对流区同时，有组织的地转对流柱隐藏在近地表层的混合良好的高度混沌对流。虽然我们把注意力集中在浮力占主导地位的制度，我们还表明，锥形微分旋转配置文件和持久的定期发电机振荡可以得到的旋转占主导地位的制度，即使在这个极小模型的参数空间。
2015-09-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Long-term Evolution of Large-scale Magnetic Fields in Rotating Stratified Convection
对流发电机模拟在当地笛卡尔几何。我们首次成功地模拟了一个大规模的振荡发电机在刚性旋转对流没有稳定分层层。激励大规模发电机的关键要求是与欧姆扩散时间相当的足够长的积分时间。通过比较有稳定分层和无稳定分层两种模型，研究了它们对大型发电机的影响。大尺度磁场的时空演化在两种模型中是相似的。然而，有趣的是，在没有稳定层的模型中的磁周期比有稳定层的模型短得多。这表明稳定层对大尺度磁场的周期性变化起了阻碍作用。
2014-03-25 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Small-scale dynamo action in rotating compressible convection
我们研究发电机行动在对流层的导电，可压缩流体，旋转的垂直轴。在上、下边界面上，磁场采用理想导电边界条件。两个不同层次的热分层被认为是。如果磁扩散率足够小，对流就像一个小型发电机。使用定义的磁雷诺数$R_M$是基于水平积分尺度和水平平均速度在中层的域，我们发现，旋转倾向于减少$R_M$的临界值以上的发电机行动观察。在旋转计算中，增加层内的热分层水平不会显著改变$R_M$的临界值，但它确实会导致非旋转情况下该临界值的降低。在磁雷诺数的最高可计算值处，发电机的饱和水平在所有情况下都是相似的，平均磁能密度在平均动能密度的4%和9%之间。为了进一步了解旋转和非旋转对流之间的差异，我们量化的拉伸性能的每个流通过测量李雅普诺夫指数。在远离边界的地方，由于流动而引起的拉伸率在旋转情况下比在相应的非旋转计算中对深度的依赖要小得多。它还表明，旋转的影响显着降低的磁能量耗散在层的下部。我们还研究了发电机的饱和机制的某些方面。
2011-10-03 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Effect of width, amplitude, and position of a core mantle boundary hot spot on core convection and dynamo action
在类地行星的液态铁核内，对流和由此产生的全球磁场都受到上覆岩石地幔的控制。下地幔的热结构决定了有多少热量可以从地核逸出。热的下地幔特征，例如巨大撞击的热足迹或热地幔柱，将局部地减少通过核幔边界（CMB）的热通量，从而削弱核对流并影响磁场产生过程。在这项研究中，我们数值研究如何参数化热点在CMB与任意大小，振幅和位置影响核心对流，因此发电机。热通量异常的影响是量化的全球流动对称性的变化，如赤道反对称，轴对称（EAA）纬向流的出现。对于纯流体动力学模型，EAA对称性尺度几乎与CMB的振幅和大小呈线性关系，而自洽发电机模拟通常揭示要么抑制或大幅增强EAA对称性，主要取决于热通量异常的水平程度。我们的研究结果表明，长度尺度的异常应在同一数量级的外核半径显着影响流场对称性。作为对火星的暗示，在我们的模型范围内，研究得出结论，由CMB热通量异常修改的古代核心场无法将地壳非均匀磁化到火星上南北不对称的现今水平。使用我们的模型得到的磁场不是不够不对称，或者当它们足够不对称时，显示出快速的极性反转，这与厚的单向磁化不相容。
2015-11-04 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Grand minima and intermittency in near-critical convection-driven dynamos
Institute of Physics, University of Graz（格拉茨大学物理研究所）；Institut für Sonnenphysik (KIS)（太阳物理研究所）
通过三维旋转磁流体动力学模拟发现，近临界对流驱动发电机的超临界性越低，长期变异性越强，弱超临界性是太阳极小期出现的原因，早期全球发电机模拟因超临界性过高未出现极小期。
2026-10-14 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale dynamos in rapidly rotating plane layer convection
内容：对流驱动的流动在发电机过程中起着至关重要的作用，发电机过程是恒星和行星产生磁场活动的原因。为什么许多天体物理学上的磁场都有一个显著的大尺度分量，这一点仍然没有完全弄清楚。目的：我们的目的是研究可压缩对流在快速旋转的笛卡尔域的发电机性能，专注于一个参数制度，其中底层的流体动力学流动是已知的是不稳定的大规模涡不稳定。方法：数值求解三维非线性磁流体动力学（MHD）控制方程。不同的数值方案进行了比较，我们提出了一个可能的基准情况下，其他类似的代码。结果：与以前的相关研究一致，我们发现在这个参数区的对流可以驱动一个大规模的发电机。平均水平磁场的分量振荡，导致平均场的连续整体旋转。虽然大规模的旋涡不稳定性占主导地位的系统的早期演变，它被抑制的磁场，使一个可以忽略不计的平均电动势，负责驱动大型发电机。发电机的循环周期与欧姆衰减时间相当，对流系统中发电机的循环周期更长，更接近于开始。在这些特定的模拟中，只有当在上下边界处采用垂直磁场边界条件时，才发现大规模的发电机作用。强调制的大规模发电机被发现在较高的瑞利数，减少活动（“大极小”的事件）发生在瞬态阶段，其中大规模的漩涡暂时重新建立自己，然后再次被抑制的磁场。
2018-01-15 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
The dynamo bifurcation in rotating spherical shells
我们调查的性质发电机分岔的配置适用于地球的液体外核，即在一个旋转的球壳与热驱动的运动。我们表明，分叉的性质，这可以是超临界或亚临界，甚至采取孤立（或分离瓣）的形式强烈依赖于参数。这种依赖性是描述在一系列参数的数值访问（不幸的是，仍然远离地球物理应用），我们展示了如何磁普朗特数和埃克曼数控制这些转变。
2010-06-06 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Small-scale chaotic dynamo and spontaneous breaking of local reflectional symmetry in magnetohydrodynamics
它示出，使用直接数值模拟的结果，局部反射对称性（和相应的本地化的动力学和磁螺旋）的自发破缺可以主导的小尺度MHD发电机在瑞利-B {é}nard对流的混沌动力学，在强分层下的动力学强迫流，在近地表太阳对流，并在动力学强迫流在大磁雷诺数。确定性和螺旋分布混沌的概念已被用于这一目的。大、小尺度发电机机制的共存以及所得结果在太阳光球平静区和活跃区的应用已作了简要讨论。
2022-09-13 physics.flu-dyn
The role of thermal buoyancy in stabilizing the axial dipole field in rotating two-component convective dynamos
Centre for Earth Sciences, Indian Institute of Science（印度科学研究所地球科学中心）
双组分对流通过热和组分浮力驱动，产生主要轴向偶极场。强组分浮力导致偶极场不稳定，但弱热浮力通过磁流体静力学波自发生成稳定偶极场。更高组分浮力触发极性转换，且热浮力贡献下限约为10%。
2026-03-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Inertia-less convectively-driven dynamo models in the limit of low Rossby number and large Prandtl number
成分对流被认为是行星内部产生磁场的重要能源。普朗特数，$Pr$，表征成分对流是显着大于单位，这表明，惯性力可能不是重要的对流小尺度上，只要浮力不是太强。我们建立了小罗斯贝数和大普朗特数的渐近发电机模型，其中对流尺度上没有惯性。该极限的相关扩散率参数是组成罗伯茨数，$q = D/η$，它是组成和磁扩散率的比率。发电机模型开发的一阶$q$和更相关的低$q$限制。在这两种情况下，磁能密度与动能密度之比$M$是渐近大的，反映了阿尔文波已经从动力学中滤除的事实。随着以前的调查的渐近发电机模型$Pr=O(1)$，我们的研究结果表明，比例$M$是不是一个有用的指示器的主导力量平衡的动量方程，因为许多不同的渐近极限$M$可以得到不改变主导秩序的地转平衡。此外，本模型表明，惯性不是驱动低$q$，大规模发电机的要求。
2017-02-23 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat transport in rotating convection without Ekman layers
对具有自由滑移边界的平板层中旋转对流的数值模拟表明，对流可以根据由Reynolds数、Prandtl数和Ekman数构成的量进行分类。出现三种不同的流动制度：层流接近对流的发病，湍流中的热流接近非旋转对流的热流，和一个中间制度，其中的热流规模根据幂律独立的热扩散率和运动粘度。
2009-06-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Geometry-induced self-excited dynamo in a regular tetrahedron
Graduate School of System Informatics, Kobe University（神户大学系统信息研究生院）
提出一个无旋转的磁流体发电机模型，利用正四面体腔的几何约束产生螺旋度，通过数值模拟展示磁场指数增长及饱和态，磁能超过动能，流场和磁场具有D4对称性。
2026-11-06 physics.flu-dyn
Generation of magnetic fields by large-scale vortices in rotating convection
我们提出了一个新的自洽发电机机制的产生大规模磁场的自然对象。最近的计算研究描述了旋转湍流对流中大尺度涡（LSV）的形成。在这里，我们表明，对于低于阈值的小规模发电机行动的磁雷诺数，这样的湍流可以维持大规模的磁场-即具有显着组成部分的系统规模的字段。
2015-03-30 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Semi-convection in rotating spherical shells: flows, layers and dynamos
CNRS（法国国家科学研究中心）
通过直接数值模拟研究旋转球壳几何中的半对流不稳定性，发现流动自组织形成密度阶梯和分层结构，并产生类行星的偶极磁场。
2026-07-24 astro-ph.EP physics.flu-dyn
The onset of turbulent rotating dynamos at the low $Pm$ limit
我们表明，在低磁普朗特数$Pm$限制（即$Pm = Rm/Re \ll 1$）的湍流非螺旋发电机的临界磁雷诺数$Rm_c$可以显着降低，如果流提交到全球旋转。即使对于中等的旋转速率，所需的能量注入速率也可以减小到大于$10^3$的系数。这种强烈的减少的开始是由于减少的湍流波动，使流有一个更大的截止长度尺度相比，相同雷诺数的非旋转流。因此，即使在雷诺数的高值下（即，在$Pm$的低值下），发电机也表现得好像是由层流行为（即，高$Pm$行为）驱动的。因此，我们的发现为设计新的液态金属发电机实验提供了一个新的范例。
2017-01-31 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the dynamical interaction between overshooting convection and an underlying dipole magnetic field -- I. The non-dynamo regime
受许多恒星内部深层动力学的启发，我们研究了过冲对流与辐射区大尺度极向场之间的相互作用。我们已经运行了一套三维Boussinesq数值计算在一个球壳，由一个对流区与底层的稳定区域，最初compatible包含一个偶极场。通过改变对流驱动的强度，我们发现，在湍流度较低的情况下，对流作为湍流扩散，比单纯的分子扩散更快地去除场。然而，在更湍流的制度，湍流泵送变得更有效，部分抵消湍流扩散，导致局部积累的字段下面的过冲区域。这些模拟表明，偶极场可能被限制在底层的稳定区域高度湍流对流运动在恒星参数。禁闭是平均意义上的大尺度场，我们表明，它是合理的平均场的想法建模。我们的研究结果是特别有趣的某些模型的太阳，这需要一个大规模的，极向磁场被限制在太阳辐射区，以同时解释后者的均匀旋转和薄的太阳速跃层。
2021-02-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Inertial convection in rotating fluid spheres
本文通过微扰分析研究了旋转流体球中以惯性波形式出现的对流的起始。的瑞利数的方位波数的依赖性的显式表达式推导和新的结果的情况下，几乎绝热边界。
2009-04-10 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection-driven kinematic dynamos with a self-consistent shear flow
人们普遍认为天体物理学上的磁场是由发电机作用产生的。在许多情况下，这些场在比基础湍流更大的尺度上表现出组织（例如，11年太阳活动周期）。产生所谓大尺度场的机制仍然是一个悬而未决的问题。在磁雷诺数（$Rm$）很小的情况下，发电机产生的场是相干的，但在（天体物理相关的）高$Rm$时，场被小尺度波动场淹没。最近，Tobias和Cattaneo（2013）已经表明，施加的大尺度剪切流可以抑制小尺度波动，并允许出现大尺度时间行为。剪切也被认为通过引入流和场之间的相关性来修改电动势。然而，在高$Rm$的先前模型中，剪切通常是人为施加的或由任意的体力驱动。在这里，我们考虑一个简单的对流发电机的运动学模型，其中剪切是自一致的水平温度梯度（导致热风）和旋转矢量的存在下，是倾斜的重力驱动。通过考虑一个$2.5$维系统，我们能够达到高的$Rm$，使发电机接近渐近制度的增长率变得近似独立于$Rm$。我们发现这里研究的流量是优秀的小规模发电机，但在大$Rm$有很小的系统行为明显。我们将此归因于无法自洽地产生在此设置中具有大（净）螺旋度和强剪切的流动。
2018-11-30 physics.flu-dyn
Confinement of rotating convection by a laterally varying magnetic field
基于旋转对流的球壳发电机模型表明，切向圆柱体内的流动主要由从内核边界延伸到高纬度并向西漂移的离轴羽流控制。早期的研究解释了这种羽流的形成，在一个均匀的轴向磁场的效果，显着增加了在旋转平面层对流的长度尺度。然而，快速旋转的发电机模拟表明，内的切线圆柱体的磁场有严重的横向不均匀性，可能会影响孤立羽流的发病。在我们的发电机模拟中，增加旋转速率（通过降低埃克曼数$E$）会产生逐渐变薄的羽流，这些羽流似乎在寻找磁场最强的位置。受此结果的启发，我们研究了在一个快速旋转的流体层受到横向变化的轴向磁场的对流的线性发病。选择一种腕关节几何形状，其中有限尺寸$(x,z)$在圆柱坐标中模拟$(ϕ,z)$。场的横向不均匀性产生了一种独特的不稳定模式，其中对流完全局限于峰值场区域。即使在磁场强度（由Elsasser数$\varLambda$测量）很小且粘度控制对流的最小长度尺度时，也会发生由磁场引起的流动局部化。孤立羽流出现在切圆柱体内的球壳发电机模拟的最低瑞利数同意密切与粘滞模式瑞利数在平面层线性磁对流模型。横向变化的磁场局部激发粘性模式对流提供了一种机制，形成孤立的羽流在地球的切向圆柱。
2017-04-24 physics.flu-dyn
Convection in Rotating Spherical Fluid Shells
本章首先描述了旋转对流的环形模型。然后介绍了球壳问题的基本方程，并讨论了球壳中柱状对流的发生。惯性模式对流的发病描述盛行在很低的普朗特数。有限振幅对流的性质概述了广泛的普朗特数。赤道附着对流被认为是从惯性模式对流演变而来的。
2009-06-05 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection rolls in a rotating box filled with beads
旋转框中珠子的意外行为。
2009-10-26 physics.flu-dyn
Patterns of convection in rotating spherical shells
通过数值模拟研究了内热自引力旋转球壳内的对流模式。虽然湍流状态的主要兴趣在行星和恒星的应用，本文强调更经常的动力学特征在瑞利数不远高于阈值，这是类似于那些可能在实验室或空间实验中观察到的。振幅波动和对流柱的空间调制是常见的功能，在中等和大普朗特数。在低普朗特数制度赤道附着对流演化不同的瑞利数的增加，并表现出早期过渡到混沌状态。强调了完全湍流对流状态下的动力学特征与相干结构的关系。
2009-06-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Meridional Circulation Dynamics in a Cyclic Convective Dynamo
地面观测表明，光球层中太阳纬向环流的速度与太阳活动周呈反相变化。目前对这种变化来源的解释是，流入活动区的气流改变了全球地面的纬向环流模式。当这些局部气流在整个半球上积分时，它们有助于轴对称极向水平分量的减慢。对流区深处的这种大规模流动的行为在很大程度上仍然未知。目前的日震技术还不够灵敏，无法捕捉到这种微弱的大尺度流动的动态。此外，绘制对流区内部的纬向环流所需的大量积分时间也掩盖了较短时间尺度上的一些可能的动态。在这项工作中，我们研究了从太阳对流区的3D MHD全球模拟出现的纬向环流的动力学。我们的目的是评估和量化的对流区，循环的大规模磁场可以达到相当大的强度内的对流循环的行为。我们的分析表明，纬向环流的形态和幅度都受到磁场的高度影响，通过对全球角动量分布的影响的磁转矩。由这些磁转矩引起的一个动态特征是在低对流区的中纬度出现一个突出的向上流动，该流动发生在环带的赤道边缘附近，并在周期最大值期间达到峰值。在全球范围内，发电机产生的大规模磁场驱动的纬向流的变化，在形成鲜明对比的传统的运动学通量传输观点的磁场被平流被动的流动。
2017-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Nonlinear dynamo in obliquely rotating stratified electroconductive fluid in an uniformly magnetic field
本文研究了一种新的大尺度不稳定性，这种不稳定性出现在具有均匀磁场和小尺度外力且螺旋度为零的倾斜旋转分层粘性流体中。这个力引起小雷诺数的速度的小尺度振荡。利用多尺度渐近展开法，得到了雷诺数为三阶的涡旋扰动和磁扰动的非线性方程组。研究了由$α$效应型不稳定性引起的磁涡流发电机的线性阶段。用数值方法得到了非线性磁涡流发电机方程的定态解，其解的形式为局域混沌结构。
2018-07-03 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Remarks on some typical assumptions in dynamo theory
讨论了旋转球壳中对流驱动发电机理论中的一些概念。施加的磁场和发电机行动所产生的类比之间的评价和Elsasser数的作用被认为是。涡流扩散系数是数值发电机模拟中的基本成分，但它们的影响可能会产生误导。不同的发电机状态的同时存在的新方面进行了说明。
2010-12-07 physics.flu-dyn
Magnetic field generation by intermittent convection
通过将普朗特数固定为$P=0.3$，并改变瑞利数Ra作为控制参数，数值研究了导电流体三维Rayleigh-Bénard对流中的磁场产生.最近报道的路线超混沌涉及准周期制度，危机和混沌间歇吸引子如下，和发电机行动的临界磁普朗特数（$P_m^c$）被确定为Ra的函数。的发病机制中的磁能的不稳定性进行了描述，最有益的对流制度发电机行动在这个过渡到弱湍流的确定，和不稳定性的影响的依赖$P_m^c$ Ra进行了讨论。
2017-07-23 physics.flu-dyn
Effect of shear and magnetic field on the heat-transfer efficiency of convection in rotating spherical shells
本文研究了球壳中旋转热对流。我们的分析基础上的一组约450直接数值模拟的（磁）流体动力学方程下的Boussinesq近似。埃克曼数的范围为$10^{-3}$至$10^{-5}$。对流的超临界性在某些模型中达到约1000。四组模拟被认为是：非磁模拟和发电机模拟与自由滑动或无滑移流动边界条件。具有自由滑移边界的非磁性设置产生最强的带状流。无滑移流动边界条件的非磁性模拟和自由滑移边界的自洽发电机都大大减少了区域流动。剪切的抑制导致传热效率的显著增加，在某些情况下增加3倍。只要对流受到旋转的显著影响，就会发生这种效率提高。在较高的对流驱动下，传热效率趋向于经典的非旋转Rayleigh-Bénard系统。对外边界热流纬向分布的分析表明，在赤道地区，切变对抑制热传递是最有效的。此外，我们探讨了磁场对对流的{ \em非纬向}流分量的影响。为此，我们比较了无滑非磁性的情况下，无滑发电机模拟的传热效率。我们发现，在$E=10^{-5}$磁场显着影响对流和传热效率的最大增益约30\%（与非磁性的情况下相比），获得了约3的Elsasser数。我们的分析促使我们推测，对流在极地地区的发电机在$E=10^{-5}$可能是在一个“磁旋”制度。
2015-11-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convective dynamo action in a spherical shell: symmetries and modulation
本文研究了球壳中三维旋转滞弹性对流驱动的发电机作用。出于对太阳发电机的行为，我们研究了不同对称性的磁流体模式的相互作用，并演示了如何复杂的对流，差分旋转和磁场之间的相互作用可能会导致调制的基本周期。对于一些参数，类型1调制通过在不同对称性的模式之间的能量转移而发生，而整体振幅几乎没有变化，对于其他参数，调制是类型2，其中振幅受到显著影响（导致活性的极大极小值），而对称性没有显著变化。最重要的是，我们确定了存在的“超调制”的解决方案，其中的活动之间的1型和2型调制混乱切换，这被认为是一个重要的过程中的太阳活动。
2016-07-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Nonlinearity in a dynamo
使用一个旋转的平面层加热从下面作为一个例子，我们考虑的影响，导致稳定的指数增长的磁场在磁致对流的过渡从运动发电机的充分的非线性发电机。我们提出了估计的能量重新分配的频谱和螺旋淬灭的磁场。我们还研究了速度和磁场的排列。这些机制类似于行星发电机模拟中的机制。
2010-05-10 physics.flu-dyn
Turbulent small-scale dynamo action in solar surface simulations
我们证明了磁对流模拟纳入基本的物理过程，太阳表面对流表现出湍流小尺度发电机的行动。通过推导可压缩磁流体动力学（MHD）的能量平衡方程和传递函数，我们量化的磁能的来源上的规模按规模的基础上。我们排除了两种替代机制的产生小尺度磁场的模拟：纠缠的磁场线与湍流级联和阿尔芬化的小尺度速度波动（“湍流感应”）。相反，我们发现小尺度磁能的主要来源是小尺度磁场线的惯性范围流体运动对抗磁张力产生（对抗欧姆耗散）更小尺度的磁场。所涉及的尺度随着雷诺数的增加而变小，这表明发电机是一个小尺度湍流发电机。
2010-04-16 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Global regularity for a rapidly rotating constrained convection model of tall columnar structure with weak dissipation
我们研究一个三维流体模型，描述发生在高大的柱状结构的快速旋转对流。这个模式的目的是研究气旋和反气旋的相干结构。证明了在弱耗散项正则化的条件下，该模型强解的整体存在性、唯一性、对初值的连续依赖性和大时间行为。
2018-10-08 math.AP physics.ao-ph physics.flu-dyn
Understanding large-scale dynamos in unstratified rotating shear flows
本研究结合模拟与新分析方法，克服过往研究缺陷，揭示无分层旋转剪切流中非螺旋平均场大尺度发电机的增长与饱和机制，阐明其场放大、再生及饱和的具体物理过程。
2025-11-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Rotationally induced coherence in turbulent kinematic dynamos
我们考虑旋转，运动发电机在低磁普朗特数$Pm$。我们表明，包括旋转导致时空相干性的增加和修改的湍流谱。这些效应使流动在驱动发电机方面更有效，从某种意义上说，与非旋转发电机相比，达到磁雷诺数$Rm_c$临界值所需的能量注入率降低了（Seshasayanan等人，2017）。对于随机发电机，已知增长率将在很大程度上由阻力标度处的流的谱指数决定。然而，在这里，我们证明了旋转流中的发电机增长率增加了旋转诱导的长寿命的大尺度涡的相干时间大于当地的周转时间。这些涡流在决定发电机增长率方面起着主要作用。
2018-11-03 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Rigorous ultimate scaling in rapidly rotating steady convection
Graduate School of Engineering Science, University of Osaka（大阪大学工学研究科）
研究通过匹配渐近分析揭示快速旋转对流中单模解的标度律，发现特定波数下可实现无扩散终极标度，并具有对数修正。
2026-05-07 physics.flu-dyn
