大扩散系数磁流体力学中电动势的自洽处理

在太阳对流的全球EULAG-MHD模拟中湍流电动势及其磁介导的淬灭的特征

Characterisation of the turbulent electromotive force and its magnetically-mediated quenching in a global EULAG-MHD simulation of solar convection

我们对Passos等人在2014年提出的全球磁流体动力学对流的EULAG-MHD千禧年模拟进行了平均场分析。模拟中的湍流电动势与周期性轴对称平均磁场及其一阶空间导数线性相关。在模拟的正交平面中的每个网格点处，这种假设关系涉及27个独立的张量系数。在Racine等人2011的基础上，我们通过基于奇异值分解的最小二乘最小化过程从模拟数据中提取这些系数。重建的α张量与Racine等人2011年获得的结果一致，他们在拟合中没有包括平均场的导数，以及Augustson等人2015年从不同的ASH MHD模拟中提取的α张量。湍流磁扩散率张量β的各向同性部分是正定的，在对流流体层的中间达到5.0x10^7 m2 s-1的值。α_phiphi和β_phiphi分量的空间变化很好地再现下的SOCA下得到的表达式，与一个良好的匹配的振幅需要的湍流相关时间约5倍小于小尺度湍流的估计周转时间。我们发现的α-效应的磁淬灭主要是由减少的小尺度流的动力学螺旋度，与电流螺旋度的变化在模拟域中的大多数位置中发挥较小的作用。我们的湍流扩散率淬火的测量仅限于β_phiphi组件，但表明较弱的淬火，由1.36的一个因素，比α效应，在我们的模拟下降了三个因素之间的最小和最大阶段的磁循环。

原恒星磁流体动力学

Magnetohydrodynamics of Protostellar Disks

综述了吸积盘的磁流体动力学行为。详细介绍了适用于原恒星盘的基本MHD方程。弱（亚热）磁场和开普勒旋转的组合是不稳定的磁旋转不稳定性（MRI），如果在磁盘中的电离度足够高。MRI产生增强的角动量，并导致层流分解为湍流。如果湍流能量是局部耗散的，则标准“$α$“模型应能对圆盘结构给出合理的估计。由于远离中心恒星的原恒星盘的电离分数很小，它们通常不处于接近完美导电性的状态。非理想MHD效应是重要的。其中，欧姆耗散和霍尔电动势是最重要的。尘埃的存在也是至关重要的，因为小的星际尺度颗粒吸收了良好磁耦合所需的自由电荷。在AU的尺度上，在磁盘中平面附近可能存在磁去耦的区域，即所谓的{ \em死区}。但是随着时间的推移，颗粒的生长和沉降降低了它们吸收电荷的效率。由于来自中央恒星的日冕X射线（也可能是宇宙射线）提供的电离作用，原恒星盘在其生命的大部分时间里可能被充分磁化，从而具有MRI活性，特别是远离盘中平面的部分。

磁流体动力学流中的交叉螺旋度效应和湍流输运

Cross-helicity effects and turbulent transport in magnetohydrodynamic flow

在大尺度涡运动和/或磁场应变的存在下，湍流交叉螺旋度（波动中的速度-磁场相关性）可能有助于湍流电动势和雷诺应力。交叉螺旋度的这些影响被认为是平衡的主要影响的湍流，如湍流的磁扩散率在磁场的演变和涡流粘度的动量输运。交叉螺旋度效应可能抑制湍流引起的输运增强。物理解释的影响，特别强调交叉螺旋效应和通常的$α$或螺旋效应的发电机行动之间的差异。交叉螺旋度效应在发电机行动的相对重要性进行了验证的援助下的直接数值模拟（DNS）的Kolmogorov流与强加的磁场。还讨论了几种机制，提供湍流的交叉螺旋度。

MHD背景下平均场系数的测试场法

Test-field method for mean-field coefficients with MHD background

目的：本文将模拟磁流体流动计算湍流输运系数的试验场方法推广到具有磁流体动力学（MHD）背景的区域。方法：利用诱导方程和修正的动量方程推导出一组广义的试验方程。通过采用一个额外的辅助方程组，我们推导出线性方程描述的系统的一组规定的测试字段的响应。通过在感应方程中应用类似于动量方程中有质动力的电动势来模拟Pd-S磁和MHD背景。两种力都被选择为具有罗伯茨流动状几何形状。结果：与MHD背景的例子进行了研究，以前使用的准运动学测试场的方法打破。在均匀的平均场的情况下，它示出的广义测试场方法产生相同的结果作为施加场的方法，其中使用的实际电动势的模拟的场对齐的分量。此外，湍流扩散系数张量的结果，这是无法实现的强加场方法。对于MHD背景，新的平均场效应被发现，依赖于磁场和速度波动之间的互相关性的发生。对于强施加的领域，$α$被发现是淬火成正比的四次方的场强，无论研究的背景类型。

来自直接数值模拟的全球发电机模型及其平均场对应物

Global dynamo models from direct numerical simulations and their mean-field counterparts

上下文最近开发的测试场方法允许计算发电机系数从全球，直接数值模拟。随后使用这些参数的平均场模型，使我们能够比较自洽发电机模型与他们的平均场。到目前为止，这已经完成了旋转磁对流和一个简单的基准发电机，这两者都是（准）静态的模拟。目标。结果表明，在低Rossby数制度的混沌时间依赖发电机可以适当地描述相应的平均场结果。此外，它指出在哪些条件下平均场模型不匹配直接数值模拟。方法.本文在Boussinesq近似下求解了旋转球壳中的磁流体动力学方程。在此基础上，我们计算的平均场系数的几个模型的帮助下，以前开发的测试场方法。这些系数的平均电动势的参数化测试对直接数值模拟。此外，我们使用确定的发电机系数的平均场模型和比较结果与方位平均场直接数值模拟。结果快速旋转发电机的方位角和时间平均电动势是足够好的参数化的一组确定的平均场系数。在以前考虑的（准）平稳发电机相比，混沌的时间依赖性导致一个改进的尺度分离，从而直接数值模拟和平均场结果之间的协议。

Yoshizawa交叉螺旋度效应及其猝灭

Yoshizawa's cross-helicity effect and its quenching

平均场磁流体动力学中的一个中心量是平均电动势EMF，它通常取决于平均磁场。然而，它可以具有独立于平均磁场的部分。在这里，我们研究一个例子的旋转导体的湍流流体与非零交叉螺旋，其中的电动势的贡献成正比的角速度发生（Yoshizawa 1990）。如果强迫是螺旋形的，它也会导致α效应，并且可以产生大规模的磁场。对于不太快的旋转，场配置是这样的，与没有α效应的情况相比，Yoshizawa对EMF的贡献大大减少。在这种情况下，也会产生大规模的流动。

从脉冲星振荡到日冕加热：磁流体动力学中的不连续性

From pulsar scintillations to coronal heating: discontinuities in magnetohydrodynamics

从脉冲星的闪烁，我们推断在ISM中存在片状结构，有人认为这些是电流片。电流片可能在加热日冕中起着重要的作用，并且有证据表明它们存在于太阳风中。这种磁不连续性已经在具有特定边界条件的数值模拟中以及在使用不可压缩状态方程的模拟中发现。在这里，我调查他们的形成在更一般的情况下，通过拓扑的考虑，以及数值模拟的放松任意平滑变化的磁场。模拟进行了各种参数和边界条件：在低，高和阶统一等离子体$β$制度，定期和固定的边界，有和没有摩擦力，在各种分辨率和各种扩散率。在探索的{ \it all}条件下，在动态时间尺度上形成电流片。在更高的分辨率下，它们更薄，并且存在更多数量的较弱电流片。磁场最终弛豫到一个平滑的最小能量状态，其能量取决于磁螺旋度，以及对边界的性质。

磁化Taylor-Couette流的大尺度发电机action

Large-scale dynamo action of magnetized Taylor-Couette flows

具有准开普勒旋转定律的含有环形磁场的导电Taylor-Couette流作为Tayler-Spruit型的平均场发电机模型。流动对非轴对称扰动是不稳定的，这些扰动形成定义$α$效应和涡流扩散率的电动势。如果用相同的功率激发具有$m=\pm 1$的两个简并模式，则全局$α$效应消失，发电机不能工作。然而，它示出，泰勒不稳定性产生有限的$α$效果，如果只考虑一个孤立的模式，但这种固有的螺旋度的单模是太低的$α^2$发电机。此外，具有准开普勒旋转的$α\Om$发电机模型需要${\rm Rm}\simeq 2.000$的最小磁旋转雷诺数才能工作。它是否真的起作用取决于对湍流能量的假设。然而，对于磁场上的湍流强度的陡于二次依赖性，发电机仅在所得到的磁涡流扩散率接近其微观值$η_{\rm T}\simeq η$时才被激发。通过基本上较低或较大的涡流扩散系数，发电机不稳定性被抑制。

Magnetoclinicity Instability

In strongly compressible magnetohydrodynamic turbulence, obliqueness between the large-scale density gradient and magnetic field gives an electromotive force mediated by density variance (intensity of density fluctuation). This effect is named ``magnetoclinicity'', and is expected to play an important role in large-scale magnetic-field generation in astrophysical compressible turbulent flows. Analysis of large-scale instability due to the magnetoclinicity effect shows that the mean magnetic-field perturbation is destabilised at large scales in the vicinity of strong mean density gradient in th…

粗粒不可压缩磁流体力学：分析湍流叶栅

Coarse-Grained Incompressible Magnetohydrodynamics: analyzing the turbulent cascades

我们制定了一个粗粒化的方法，磁流体动力学（MHD）流体在一个连续的长度尺度。在这种方法中，有效的方程推导出可观测的速度和磁场空间平均在任意尺度的分辨率。裸速度和磁场的微观方程重整化粗粒化产生的宏观有效方程，包含一个次尺度应力和次尺度电动势（EMF）所产生的非线性相互作用的消除场和等离子体运动。在大的粗粒化的长度尺度，直接耗散的微观机制（如分子粘度和斯皮策电阻率）的不变量是可以忽略不计的。在大尺度上的平衡，而不是占主导地位的子尺度非线性项，它可以跨尺度转移不变量，并解释在能源的工作概念和拓扑通量链接的两个螺旋。这种方法的一个重要应用是MHD湍流，其中粗粒化长度$\ell$位于惯性叶栅范围内。我们表明，在足够粗糙的速度和/或磁场的情况下，非线性尺度间传输不需要消失，可以持续到任意小的尺度。虽然封闭的表达式是不可用的次尺度应力和次尺度电动势，我们推导出严格的上限上的有效耗散，它们产生的标度指数的速度和磁场。这些界限提供了精确的约束的唯象理论的MHD湍流，以允许非线性级联的能量和交叉螺旋度。另一方面，我们表明，前向级联的磁螺旋度渐近小尺度是不可能的，除非三阶矩的速度或磁场成为无穷大。

超声速磁流体动力学turbulence中尺度分离的非线性封闭

Nonlinear closures for scale separation in supersonic magnetohydrodynamic turbulence

可压缩等离子体中的湍流在天体物理和工程的许多领域中起着关键作用。然而，在这些环境中的极端等离子体参数，例如高雷诺数，超声速和超Alfvenic流，使得直接的数值模拟计算棘手，即使是最简单的治疗-磁流体动力学（MHD）。为了克服这个问题，人们可以使用子网格尺度（SGS）封闭-模型的影响，未解决的，子网格尺度上解决的。在这项工作中，我们提出并验证了一组常系数封闭的解决，可压缩，理想的MHD方程。亚网格尺度的能量模拟Smagorinsky一样的平衡闭包。湍流应力和电动势（EMF）的表达式是非线性的大规模速度和磁场梯度。为了验证关闭，我们进行了先验测试超过137模拟快照从两个不同的代码与不同的比例的热磁压力（$β_\mathrm{p} = 0.25, 1, 2.5, 5, 25$）和音速马赫数（$M_s = 2, 2.5, 4$）。此外，我们比较传统的，现象学的涡流粘度和$α-β-γ$封闭。我们发现只有平庸的性能的动力学涡粘性和$α-β-γ$封闭，磁涡粘性封闭与模拟数据的相关性很差。此外，传统闭包的五个系数中有三个在值上表现出显著的分布。相比之下，我们的新封闭件随着时间的推移和在测试的广泛参数范围内表现出一贯的高相关性和常系数值。可压缩MHD湍流的重要方面，如双向能量级联，湍流磁压力和正确的对齐的电动势很好地描述了我们的新封闭。

磁扩散驱动的太阳通量管剪切不稳定性

Magnetic diffusion driven shear instability of solar flux tubes

宏观气体运动在整个太阳大气中广泛存在，剪切运动耦合到非理想效应，使介质中的低频波动不稳定。这种非理想磁流体动力学不稳定性的起源在于在剪切背景流的存在下，中性粒子与磁化等离子体的碰撞耦合。不出所料，最大增长率和最不稳定的波数取决于流动梯度和环境扩散系数。磁场的方向、速度切变和扰动波矢对不稳定性起着至关重要的作用。当磁场和波矢量都垂直时，双极和欧姆扩散可以组合为彼得森扩散，并且仅引起阻尼;在这种情况下，只有霍尔漂移与剪切流串联驱动不稳定性。然而，对于非垂直场和倾斜波矢量，双极扩散和霍尔漂移都是不稳定的。我们研究了磁性元素在网络和网络间区域的稳定性。剪切尺度尚未观测确定，但假设一个典型的剪切流梯度$\sim 0.1 \,\mbox{s}^{-1}$，我们表明，磁扩散剪切不稳定性增长的时间尺度为一分钟。因此，这是合理的，网络-互联网的磁性元素受到这种快速增长，扩散剪切不稳定性，这可能在驱动低频湍流在太阳光球和色球等离子体中发挥重要作用。

用机器学习探索螺旋发电机

Exploring helical dynamos with machine learning

我们使用集成机器学习算法来研究螺旋强迫的磁流体动力学（MHD）湍流中磁场的演化。我们进行直接的数值模拟螺旋强迫湍流平均场的形式主义，电动势（EMF）建模为线性和非线性函数的平均磁场和电流密度。EMF的形式使用正则化线性回归和随机森林来确定。我们还比较了各种分析模型的数据使用贝叶斯推断与马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）抽样。我们的研究结果表明，线性回归在很大程度上是成功的预测电动势和使用更复杂的算法（随机森林，MCMC）不会导致显着改善的拟合。我们的结论是，我们正在寻找的数据是有效的低维和基本线性。最后，为了鼓励社区进一步探索，我们将所有模拟数据和分析脚本作为开源IPython笔记本提供。

太阳内部磁场的限制与锂燃烧的关系

Confinement of the Sun's interior magnetic field, with implications for lithium burning

解释太阳辐射包层均匀旋转的最简单的内部磁场B_i是一个由深环向场稳定的轴向偶极子。只有在极冠内才能解释均匀自转。必须防止磁场向上扩散到高纬度对流区，因为高纬度对流区的较慢旋转必须与辐射内部保持解耦。本文介绍了新的分析和数值解的相关磁流体动力学方程显示，这种限制和解耦是动态可能的层流“磁约束层”在底部的速跃层。在微观扩散系数的实际值下，极上弱的层流下降流U~10^{-5}cm/s足以使B_i随高度呈指数衰减，而限制层的厚度只有百万埃的几分之一。日震观测结合基本动力学，以及关于在没有B_i的情况下将差异旋转向下传播的“陀螺泵”的理论论证，都暗示了极地速跃层中的下降流。我们的限制层解决方案是第一个考虑到所有相关的物理效应在一个自洽的数学模型。这些效应包括磁扩散、斜压性和稳定层结（热层结和成分层结）、科里奥利效应和热松弛。我们将讨论如何限制层在每个极点可能适合到一个全球性的动态图片的太阳速跃层。这张照片，反过来，提出了一个新的见解早期太阳和太阳锂耗尽。

小尺度磁能和螺旋度对大尺度磁场增长的影响

Influence of small scale magnetic energy and helicity on the growth of large scale magnetic field

研究了初始给定的小尺度磁能（$E_M(0)$）和螺旋度（$H_M(0)$）对磁流体动力学（MHD）发电机的影响。推导并求解了$E_M$（t）、$H_M$（t）和电动势（$\langle {\bf v}\times {\bf b}\rangle$、$EMF$）的方程。结果表明，由$E_M$（0）引起的小尺度磁场（${\bf b}_i$）改变了$EMF$，并产生了附加项，其影响取决于磁扩散率$η$、初始条件位置（$IC$ s）$k_f$和时间（$\sim e^{-ηk_f^2 t}$）. ${\bf b}_i$增加了能量的反向级联，导致大尺度磁场（$\overline{\bf B}$）的增强生长。模拟数据表明，$E_M$（0）在小规模下提高了增长率，而增长率也成比例地依赖于$H_M(0)$。如果$E_M$（0）相同，则正$H_M(0)$对MHD发电机比负$H_M(0)$更有效。讨论了大尺度磁螺旋度与注入动力学螺旋度符号相反的原因。

磁涨落驱动的大尺度发电机的模拟及与双尺度模型的比较

Simulations of a Magnetic Fluctuation Driven Large Scale Dynamo and Comparison with a Two-scale Model

大规模（磁流体动力学）发电机（LSD）的模型，耦合大规模场的增长，总的磁螺旋度演变最好的预测LSD的饱和模拟中看到。对于周期盒中最简单的所谓“α2”LSD，驱动LSD增长的电动势取决于与波动相关的时间积分动力学和电流螺旋度之间的差异。当系统是螺旋动力学强迫（KF），大规模的螺旋场的增长是伴随着小规模的磁（和电流）螺旋度的增长，最终淬火LSD。在这里，使用模拟和理论，我们研究了互补磁强迫（MF）的情况下，系统被迫与电场，提供磁螺旋。对于这种MF情况，动力学螺旋度成为使LSD饱和的反反应器。MF和KF的情况下的模拟可以近似建模与相同的方程的磁螺旋度演变，但互补的初始条件。KF和MF情况之间的一个关键区别是，MF情况下的螺旋大尺度场与注入磁螺旋度的符号相同，而KF情况下的大尺度和小尺度磁螺旋度的符号相反。MF的情况下，可以出现，即使当热压力是近似小于磁压力，并只需要螺旋小尺度的磁波动主导的LSD驱动中的螺旋速度波动。我们认为，LSD在吸积盘和Babcock模型的太阳发电机实际上是MF LSD。

Unappreciated cross-helicity effects in plasma physics: Anti-diffusion effects in dynamo and momentum transport

The cross helicity (velocity--magnetic-field correlation) effects in the magnetic-field induction and momentum transport in the magnetohydrodynamic (MHD) turbulence are investigated with the aid of the multiple-scale renormalized perturbation expansion analysis. The outline of the theory is presented with reference to the role of the cross-interaction response functions between the velocity and magnetic field. In this formulation, the expressions of the turbulent fluxes: the turbulent electromotive force (EMF) in the mean induction equation and the Reynolds and turbulent Maxwell stresses in th…

快速旋转平面层对流中的大尺度发电机

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。