Energy transfer in simple and active binary fluid turbulence {\bf {-}} a false friend of incompressible MHD turbulence
本研究通过两点统计推导二元流体湍流能量级联的精确关系,揭示其与不可压缩MHD湍流的本质差异,并预测能量谱的k^{-3/2}定律。
2022-06-26 physics.flu-dyn
Metriplectic Framework for Dissipative Magneto-Hydrodynamics
metriplectic框架,它允许制定一个代数结构的耗散系统,适用于粘阻磁流体动力学(MHD),适应已经做了非理想流体动力学(HD)。结果是通过扩展HD对称括号和自由能,包括磁场动力学和电阻耗散。一旦理想MHD的泊松括号的Casimirs之一与等离子体的总熵一致,就得到了正确的运动方程。MHD的metriplectic框架下的伽利略群是不变的。metriplectic结构还允许获得系统的动态演化的渐近平衡。该方案最终适用于二维不可压缩电阻磁流体,这是在许多应用中的主要用途。
2011-10-19 physics.flu-dyn
Mathematical estimates for the attractor dimension in MHD turbulence
目前的工作的目的是得到严格的估计湍流MHD流量,如耗散尺度的大小和各向异性,以及2D和3D状态之间的过渡。为此,我们计算的吸引子尺寸的运动方程,这表明在充分发展的流中存在的模式的数量的上限。这种方法已经成功地用于推导作为耗散的$\mathcal L_\infty$范数的函数的二维和三维流体动力学湍流的这种估计,如在\cite{doering95}中。我们在这里解决的问题,在3个空间方向(空间周期$2πL$),其中施加一个永久磁场的流动周期。此外,耗散算子的详细研究提供了更多的指示的结构的流动。在第2节中,我们回顾了动力系统理论的工具,以及它们在三维流体动力学湍流的情况下所导致的结果。第三节是专门研究的一组模式,最大限度地减少与MHD湍流(粘性和焦耳)的总耗散的运营商的痕迹。最后,在第四节中,我们给出了强磁场下MHD湍流的吸引子维数和耗散尺度的估计,并与启发式计算结果进行了比较。
2020-06-07 physics.flu-dyn
Controlling the dimensionality of low-Rm MHD turbulence experimentally
本文介绍了一种在强磁场中电驱动液态金属湍流的实验装置。与过去的磁流体动力学(MHD)设置涉及浅约束,这里提出的实验驱动湍流的维数可以设置在三维和准二维之间的任何地方。特别是,我们表明,由此产生的湍流的维数和分量实际上是完全固定的单参数LZ(李)/h,它量化的竞争之间的螺线管分量的洛伦兹力和惯性作用于湍流结构的大小的强迫规模李。由于有三个操作设置,该参数完全可调:注入比例、电场强度和磁场大小。由于在该实验中实现了非常多的测量探头和快速的采集速率,因此可以在比例的基础上可靠地测量惯性范围的最细微特征。
2017-06-30 physics.flu-dyn
Turbulent transport and dynamo in sheared MHD turbulence with a non-uniform magnetic field
本文研究了大尺度速度和非均匀磁场共同作用下的三维磁流体动力学湍流。通过假设湍流由螺旋和非螺旋谱的外力驱动,我们研究了这两个剪切对湍流强度和湍流输运的综合影响,湍流扩散系数(湍流粘度,$α$和$β$效应)与雷诺数相似。结果表明,在弱和强磁场的限制下,湍流粘性和扩散系数分别对强剪切和强磁场发生猝灭。对于弱的流动剪切,我们进一步表明,磁剪切增加的湍流强度,同时降低湍流输送。在存在强流动剪切的情况下,发现磁剪切的效果通过增强湍流和运输来对抗流动剪切的效果(其由于剪切稳定而减少湍流),从而通过流动剪切稳定来减弱强猝灭。在强磁场的情况下(与流动剪切相比),磁剪切增加湍流强度并淬灭湍流传输。
2009-07-07 physics.flu-dyn
Bounds on the attractor dimension for low-R m wall-bound magnetohydrodynamic turbulence
本文通过对吸引子维数上界的估计,研究了稳态低$R_m$ MHD湍流。本文考虑了两平行壁面间的流动,外加垂直磁场。流动由其最大速度和磁场强度定义。给定相应的雷诺数和哈特曼数,我们推导出一个上限的吸引子的尺寸,并找出必须选择哪些模式来实现这一界限。Thier,比较了湍流的最小尺度和各向异性的大小的物理学估计。我们确定的边界分离不同的模式在空间中的无量纲参数,这让人想起三个重要的先前确定的过渡中观察到的真实流。第一个边界将经典的流体动力学模式集与各向异性呈"焦耳锥“形式的MHD模式集分开。第二个边界将3D MHD集与准2D MHD集区分开来。第三种方法将所有模式都具有相同的边界层厚度的集合和许多不同的"边界层模式“共存的集合分开。定义这些边界的无量纲的关系,然后进行比较,各向同性和各向异性的MHD湍流,3D和准2D MHD湍流之间的湍流和层流哈特曼层之间的过渡已知的prostitics。除了这种三维的方法,我们还确定了上限的尺寸强制湍流建模使用二维MHD方程,相关的准二维MHD制度。这种2D方法的优点是,虽然在三维上界是相当宽松的,但对于2D非线性项存在最佳上界。这使我们能够获得现实的吸引子尺寸准二维MHD流。
2020-06-06 physics.flu-dyn
MHD Turbulence
综述了MHD湍流理论和数值实验的研究现状及其在天体物理和太阳科学中的应用。本文介绍了研究湍流的常用工具、基本湍流模型、MHD方程及其波动模式。随后,我们涵盖了Alfvenic湍流,不平衡湍流,小尺度发电机和模型的理论和数值计算超声速MHD湍流。
2019-10-08 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
MHD turbulence and distributed chaos
利用最近的直接数值模拟结果表明,在具有零平均磁场的MHD湍流中,分布混沌的谱特性与流体动力学湍流的谱特性相似。一个例外是当拉伸指数谱$\exp(-k/k_β)^β$具有$β=4/7$时,空间平移对称性的MHD自发破缺。
2016-07-18 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
MHD Dynamos and Turbulence
磁流体发电机与湍流综述。
2011-03-16 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy decay laws in strongly anisotropic MHD turbulence
研究了均匀磁场${\bf B_0}=B_0 e//$对不可压缩磁流体动力学(MHD)湍流能量衰减规律的影响。沿$B_0$的非线性传输减少包括在区分平行和垂直方向的模型中,遵循现象学{ \it à la} Kraichnan。我们预测由于各向异性在强$B_0$极限的能量衰减减慢,剪切波和伪阿尔文波的能量衰减具有不同的幂律。阿尔文波湍流动力学方程的数值结果恢复了这些预测,并且MHD数值结果在最低垂直平面内明显倾向于遵循这些预测。
2007-12-12 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Controlling the level of the ideal invariant fluxes for MHD turbulence using TURBO spectral solver
磁流体力学(MHD)形式中的理想不变量,即在无源和无耗散效应的情况下守恒的整体量,在MHD湍流的各种理论和数值研究中起着重要的作用。这些理想不变量的通量表示在湍流系统中跨不同尺度传递信息的独立通道。一旦达到湍流的统计稳定状态,由强迫机制引入系统的任何理想不变量的量等于由耗散效应从系统中移除的相同量的量。对于高度发展的湍流,这两种机制主要作用于在很大程度上分离的不同尺度。由于理想不变量在尺度之间级联,产生了对系统状态有很大影响的恒定通量。从数值上讲,控制湍流MHD系统的理想不变通量水平对于分析基本的MHD湍流特性是非常重要的。我们提出了一种控制MHD湍流三个理想不变量:总能量、交叉螺旋度和磁螺旋度的强迫机制。这种强制是在免费提供的TURBO求解器中实现的,也简要介绍了这一点。
2011-08-12 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Helicity, low-dimensional distributed chaos and scaling in MHD turbulence
结果表明,螺旋度分布的二阶矩(无粘流体力学的Levich-Tsinober不变量)可以作为绝热不变量在磁流体力学中保持。分布混沌方法和惯性范围现象已被开发的磁流体动力学过程中占主导地位的绝热不变量,和一些理论考虑的后果进行了比较,直接数值模拟和测量结果在太阳风。在这方面也简要讨论了星际MHD湍流的螺旋标度。
2021-06-15 physics.flu-dyn physics.space-ph
Dynamic Alignment and Exact Scaling Laws in MHD Turbulence
磁流体动力学(MHD)湍流是天体物理系统中普遍存在的现象。最近的高分辨率数值模拟表明,强不可压MHD湍流的能谱是$E(k_{\perp})\propto k_{\perp}^{-3/2}$。到目前为止,还没有一个唯象理论能同时解释这种谱,并满足Politano和Pouquet的MHD湍流的精确解析关系。事实上,波利塔诺-普凯关系经常被用来表明MHD湍流的谱具有柯尔莫哥洛夫标度-5/3。利用几何参数和数值试验,我们分析了这一看似矛盾的现象,并证明了最近在MHD湍流中发现的尺度相关的动态对准现象与-3/2标度和Politano-Pouquet关系是一致的。
2009-06-16 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
Energy transfers in MHD turbulence and its applications to dynamo
本文描述了MHD湍流的模-模能量传递和能量通量。这些能量传递对于理解湍流动力学以及发电机等应用非常有用。我们说明了如何提供有价值的洞察力的大规模的磁能发电机的增长机制的能量通量。
2019-02-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Basic Properties of MHD Turbulence in the Inertial Range
我们重新讨论了惯性范围内MHD湍流的谱斜率问题,并认为数值方法更倾向于Goldreich-Sridhar -5/3斜率而不是-3/2斜率。对MHD湍流的各向异性进行了精密测量,确定了Alfvenic湍流的各向异性常数C_A=0.34。它与以前测得的Kolmogorov常数C_K=4.2或纯Alfvenic情况下的C_K = 3.3一起,构成了对MHD级联的完整的谱量描述,具有很高的天体物理实用价值。
2012-04-04 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
IKT-approach to MHD turbulence
湍流理论中的一个公开问题是确定与相关(随机)流体场相关的概率密度的精确演化方程。这样一个方程在通常的湍流方法中至多在近似意义上再现了正确的流体方程。在本文中,我们提出了一个统计模型,适用于不可压缩,电阻性和准中性磁流体。该方法的基础上制定的逆动力学理论(IKT)的完整的MHD方程组适用于不可压缩,粘性,准中性,等熵,等温和电阻磁流体。新方法的基本特征是它依赖于第一原理--特别是流体方程的精确有效性--从而可以确定概率密度的正确演化方程。这里考虑的理论的具体应用涉及统计均匀和稳态MHD湍流的情况。
2009-01-16 physics.class-ph physics.flu-dyn
Role of Cross Helicity in Cascade Processes of MHD turbulence
本文的目的是研究由一个外力激发的各向同性(非Alfven)MHD湍流的谱特性,该外力在能量的同时将交叉螺旋度注入到流动中。结果表明,交叉螺旋度阻碍了MHD湍流中谱能量的传递,导致系统中能量的积累。这种积累一直进行到涡的增强补偿了非线性相互作用效率的降低。对于给定的注入螺旋度与能量之比,得到了平均湍流能量的估算公式。值得注意的是,湍流在其低速率注入时累积注入的交叉螺旋度-积分相关系数显著超过注入螺旋度与能量之间的比率。结果表明,随着交叉螺旋度的增加,谱斜率从“5/3”逐渐增大到“2”。
2009-04-10 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Global dissipative solutions of the 3D Naiver-Stokes and MHD equations
本文通过设计利用耗散项的凸积分格式,证明了三维 Navier-Stokes 和 MHD 方程在特定初始条件下存在无限多个整体耗散解。
2025-03-07 math.AP physics.flu-dyn
Lagrangian Statistics of Navier-Stokes- and MHD-Turbulence
我们报告的高分辨率数值模拟的拉格朗日粒子平流不可压缩湍流水和磁流体动力学(MHD)流的比较。在Navier-Stokes情况下,数值模拟使用了多达$1024^3$配置点和1000万个粒子,在MHD情况下,使用了多达$512^3$配置点和100万个粒子。在流体动力学的情况下,我们的研究结果与最近的实验从Mordant等人。[1]和Xu等人。[2]。它们与Biferale等人的模拟不同。[3]由于用于评估结构函数所选择的范围的差异。在Navier-Stokes湍流中,不稳定性比[3]中的多重分形方法预测的要强,而在MHD湍流中,多重分形方法的预测比我们模拟中观察到的更间歇。此外,我们的模拟表明,拉格朗日Navier-Stokes湍流是更间歇性比MHD湍流,而在欧拉的情况下,情况正好相反。这些发现不能一致地描述的多重分形模型。关键的一点是,耗散结构的几何形状有不同的含义拉格朗日和欧拉的不连续性。应用多重分形方法对加速度PDF进行建模,对于Navier-Stokes情况效果很好,但在MHD情况下,只对尾部进行了很好的描述。
2007-02-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
The Spectral Slope and Kolmogorov Constant of MHD turbulence
强MHD湍流的谱斜率最近一直是一个有争议的问题。虽然Goldreich-Sridhar模型(1995)预测湍流的Kolmogorov斜率为-5/3,但数值研究通常报告较浅的斜率。我们认为,早期的数字是由驱动由于磁流体的情况下,能量转移的扩散局域性的影响。我们的最高分辨率模拟(3072^2x1024)已经能够达到能量斜率的渐近-5/3区域。此外,我们发现,所谓的动态对齐,在模型中提出的-3/2斜率,饱和,因此不能影响渐近斜率。渐近状态的观测使我们能够测量纯Alfvénic湍流的Kolmogorov常数C_KA=3.2+-0.2和MHD湍流的C_K=4.1+-0.3。这些值远高于1.64的流体动力学值。柯尔莫哥洛夫常数的较大值是一个相当低效的能量转移的指示,正如我们在这封信中所展示的,在理论上与我们观察到的扩散局域性一致。我们还解释了什么是失踪的数值研究,报告较浅的斜坡。
2010-11-10 astro-ph.GA physics.flu-dyn
On the locality of MHD turbulence scale fluxes
对定常湍流状态下磁流体动力学(MHD)能流的尺度局部性进行了数值研究。两种类型的力用于驱动湍流,一种是仅作用于速度场的动力学力,另一种是作用于速度场和磁场的动力学感应强迫机制。分析是在谱空间中进行的,该空间遵循边界的幂律分解为一系列壳。这些壳之间发生的三元传输计算和通量和局部函数恢复部分求和有关的壳。采用Kraichnan定域函数,得到四种MHD能流的标度指数分别为1/3和2/3,比流体动力学湍流的标度指数4/3小。为了更好地理解这些结果,对总能量通量进行了深入分析。
2011-08-19 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
As a matter of tension -- kinetic energy spectra in MHD turbulence
磁化湍流普遍存在于许多天体物理和地球系统中,但即使是最简单的形式,磁流体力学(MHD),也没有完整的,无可争议的理论。许多理论和现象学都集中在联合(动能和磁场)的能量通量和光谱。我们强调的重要性,分别处理动能和磁能阐明MHD湍流动力学。我们进行了一个隐式大涡模拟亚音速,超Alfvénic MHD湍流和分析的尺度随时间的能量转移。我们的关键发现是,动能谱开发的缩放约$k^{-4/3}$在固定制度的动能级联被抑制的磁张力。这促使重新评估现有的MHD湍流理论的能量通量的一个更有区别的建模。
2020-09-07 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Shell to shell energy transfer in MHD, Part I: steady state turbulence
通过分析在没有外加均匀磁场的情况下直接数值模拟的结果,研究了充分发展的三维MHD湍流中能量从大尺度向小尺度的转移.我们的结果表明,动能从大尺度到小尺度的动能转移,以及磁能从大尺度到小尺度的磁能转移,是局部的,在中性流体的情况下也发现了这一点,并且在某种程度上与Kolmogorov(1941)的湍流理论是一致的。然而,能量从速度场到磁场的转移是傅立叶空间中的高度非局部过程。大尺度速度场的能量可以直接传递到小尺度磁场中,而不需要中间尺度的参与。本文还讨论了这些结果对MHD湍流模拟的一些启示。
2005-05-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Long-term decaying evolution of MHD turbulence
本文采用壳模型对大雷诺数下磁流体湍流的自由衰减进行了数值研究。我们研究的统计特性的基础上的代表性样本的实现(128实现每种类型的初始条件)在$10^5$大规模的周转时间。模拟结果表明,尽管初始条件相似,但无力非螺旋MHD湍流可以表现出两种不同的演化情景。在第一种情况下,交叉螺旋度的积累是如此之快,能量级联消失之前,显着的磁能耗散。然后系统接近最大交叉螺旋度的状态。在第二种情况下,级联过程继续保持活动状态,直到以大规模周转时间为单位的时间$10^4$。然后,由于磁螺旋度守恒,磁场变得非常螺旋。因此,磁能不随动能而消散。
2010-09-22 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent drag reduction in magnetohydrodynamic and quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
在流体动力学湍流中,大尺度注入的动能级联到惯性范围,导致恒定的动能通量。相反,在磁流体动力学(MHD)湍流中,一部分动能被转移到磁能。因此,对于相同的动能注入率,MHD湍流中的动能通量与其流体动力学对应物相比减小。这导致非线性项($\la | ({\bf u}\cdot \nabla) {\bf u} | \ra$,其中${\bf u}$是速度场)和湍流阻力相对减弱,但MHD湍流中的速度场增强。我们使用流体动力学和MHD湍流的壳模型模拟来验证上述。准静态MHD湍流也表现出类似于MHD湍流的湍流阻力减小。
2020-04-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Compressible Sub-Alfvenic MHD turbulence in Low-beta Plasmas
本文提出了一个低β等离子体中可压缩亚阿尔芬等温磁流体动力学(MHD)湍流模型,并对其进行了数值检验,将MHD湍流分为三个不同的族--阿尔芬模、慢模和快模。我们发现,由Alfvenic湍流产生的慢模和快模被抑制。结果表明,在可压缩区域中的阿尔芬模式表现出与不可压缩区域相似的标度性和各向异性。慢模式被动地模仿阿尔芬模式。然而,快模式显示出各向同性和类似于声湍流的缩放。
2002-05-17 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Residual Energy in Weak and Strong MHD Turbulence
最近的数值和观测研究表明,磁流体湍流中的磁场和速度涨落的谱具有不同的标度指数。这一有趣的特征最近在弱MHD湍流的情况下得到了解释,即湍流由弱相互作用的Alfven波组成。然而,在大多数情况下,天体物理湍流是强烈的。在目前的工作中,我们提出了一个统一的图片,允许一个解决弱和强MHD湍流在同一个立足点。我们认为,磁场和动能是不同的弱和强MHD湍流。它们之间的差,即所谓的剩余能量,是由湍流自发产生的,它具有傅立叶谱E_r(k)=E_v(k)-E_b(k)\propto -f_w(k_||/k_perp)k_perp^{-2}和E_r(k)\propto -f_s(k_||/k_perp)k_perp^{-3}在强湍流中。这里f_w,s(x)是当x>C_w,s时快速下降的函数,而当$x<C_w,s$具有某些常数C_w,s和k_w时,f_w,s(x)没有显著变化。||以及k_perp是相对于所施加的强均匀磁场的场平行和场垂直波矢量。
2012-02-15 astro-ph.GA nlin.CD physics.flu-dyn
Clustering of passive impurities in MHD turbulence
采用高分辨率数值模拟方法研究了重粒子、中性粒子或带电粒子在不可压缩电阻性磁流体动力学(MHD)湍流中的输运。观察到这种杂质的空间分布显示出强烈的偏离均匀性,无论是在耗散和惯性范围尺度。中性粒子由于其与流动的粘性阻力而倾向于聚集在相干涡面附近,导致同时存在非常集中和几乎空的区域。带电粒子的成团特征是不同的。除了阻力之外,这些还表现出洛伦兹力。由于吸引和排斥涡面的空间不均匀性的区域的变化。虽然小的电荷会增加聚集,但较大的电荷会产生相反的效果。
2009-02-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Leveling of MHD turbulence imbalance in shear flows
Abastumani Astrophysical Observatory(阿巴斯图马尼天体物理观测站);Department of Physics, Faculty of Exact and Natural Sciences, Tbilisi State University(第比利斯国立大学精确与自然科学学院物理系);Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心);M. Nodia Institute of Geophysics(M.诺迪亚地球物理研究所)
本研究通过线性非模态动力学揭示了鞘流中MHD湍流不平衡的平衡机制,为理解太阳风中的湍流平衡提供了新视角。
2026-09-07 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Cascades and dissipation ratio in rotating MHD turbulence at low magnetic Prandtl number
提出了旋转和外加磁场共同作用下各向同性磁流体动力学湍流的现象。假设三重相关衰减时间在涡旋翻转时间和与旋转频率和Alfvén波周期相关联的时间之间是最短的。对于$Pm=1$,它导致了四种分段谱,这取决于四个参数,能量注入率,磁扩散率,旋转速率和外加磁场。本文采用磁流体湍流的壳模型(包括旋转和外加磁场),给出了$Pm \le 1$的谱,以及磁耗散和粘性耗散的比值。
2010-10-15 astro-ph.GA 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
A Stable, Accurate Methodology for High Mach Number, Strong Magnetic Field MHD Turbulence with Adaptive Mesh Refinement: Resolution and Refinement Studies
在高热马赫数和强初始磁场条件下,对驱动MHD湍流进行稳定、长时间的数值模拟,由于难以保证密度和压力的正性,对高阶Goddom理想MHD格式是一个挑战。我们已经实现了一个强大的组合重建方案,黎曼解算器,限制器,和约束运输电动势平均计划,可以满足这一挑战,并使用这种策略,我们已经开发出一个新的自适应网格细化(AMR)MHD模块的ORION 2代码。我们研究AMR对理想湍流MHD系统的几个统计特性的影响,热马赫数为10,等离子体$β_0$为0.1作为初始条件;我们的代码被证明是稳定的模拟更高的马赫数($M_rms = 17.3$)和更小的等离子体β($β_0 = 0.0067$)以及。我们的研究结果表明,湍流模拟的质量一般与体积平均细化。我们的AMR模拟表明,超声速MHD湍流的湍流耗散系数约为0.5,与unigrid模拟一致。
2011-11-11 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
Wavelet transforms and their applications to MHD and plasma turbulence: a review
介绍了小波分析和压缩工具在磁流体力学和等离子体湍流研究中的不同应用。本文介绍了连续小波变换和正交小波变换,详细介绍了几种基于小波系数的统计诊断方法。然后,我们展示了如何提取相干结构的充分发展的湍流使用基于小波去噪。最后介绍了几种基于小波的多尺度数值模拟方法。给出了分析、压缩和计算一、二、三维湍流磁流体或等离子体流的几个例子。
2015-08-23 nlin.AO physics.comp-ph physics.data-an
Direct Evidence of the Transition from Weak to Strong MHD Turbulence
磁流体力学(MHD)中最重要的预言之一是,在均匀磁场$\textbf{b}_{0}$的存在下,当垂直尺度从大到小时,会发生从弱到强的波动湍流转变。这种转变被认为是几种各向异性湍流系统的普遍性质。我们提出了第一次直接的证据,这种过渡感谢不可压缩的平衡MHD湍流的三维直接数值模拟与网格分辨率为$3072^2 \times 256$。从大尺度到小尺度,区域变化的特征是:i)能谱的斜率从近似$-2$到$-3/2$的变化; ii)波动时间和非线性时间之间的比率增加,临界比率为$χ_{c}\sim0.35$ ; iii)Alfvén模式之间的通信消失,随后急剧增加;和iv)能量等值线的修改揭示了从纯垂直级联到与临界平衡型现象学相容的级联的过渡。所有这些变化都发生在大致相同的过渡尺度上,因此可以看作是从弱到强波浪湍流过渡的明显特征。
2016-02-11 nlin.CD physics.flu-dyn
Dual Theory of MHD Turbulence
Institute for Advanced Study(高等研究院)
本研究给出衰减不可压缩磁流体力学湍流的精确解析解,提出基于两个相互作用欧拉系综的对偶形式,揭示其对普朗特数的依赖及Pr=1处的相变,与DNS结果对比后为MHD湍流研究提供了新的数学框架。
2026-09-02 nlin.SI physics.flu-dyn
MHD Turbulence Simulation in a Cosmic Structure Context
构成宇宙中大部分重子物质的星系团和宇宙细丝的气体介质是高度动态的。它也可能是湍流,尽管湍流的性质知之甚少。气体是高度稀薄的,基本上完全电离的等离子体。观测证据表明,星团内介质(ICM)在一定程度上被磁化。ICM种子场有几种可能的起源;观测到的场可能是ICM中湍流的结果。我们正在进行一项模拟研究,旨在了解在这种情况下,如何非常弱的初始磁场在驱动湍流演变。我们发现,磁场最终演变到均分水平的旋涡,螺线管动能的湍流。当它们这样做时,场结构的拓扑结构从连续形式过渡到带状结构,其中场取向与涡度结构层压在一起。
2011-08-05 astro-ph.CO physics.flu-dyn
The Properties of Compressible MHD and Cosmic Ray Transport
湍流是天体物理流动最常见的状态。在典型的天体物理流体中,湍流伴随着强磁场,这对湍流级联的动力学有很大的影响。近年来,磁流体动力学(MHD)湍流理论取得了重大突破。这是我们第一次有一个尺度模型,是由观测和数值模拟支持。本文综述了不可压缩湍流和可压缩湍流的研究进展。我们比较Iroshnikov-Kraichnan和Goldreich-Sridhar模型,并讨论阿尔芬,慢,快波的标度。我们讨论了这一新的见解的影响,MHD湍流宇宙线运输。
2002-11-22 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Dynamic multiscaling in magnetohydrodynamic turbulence
本文首次研究了三维均匀各向同性磁流体(MHD)湍流中随时间变化的速度和磁场结构函数的多尺度性。我们推广的形式主义,已经开发了类似的研究中的流体湍流的时间相关的结构函数的MHD。通过在三维MHD湍流壳模型中对这种随时间变化的结构函数进行详细的数值研究,我们得到了等时标度指数和动态标度指数。
2016-11-05 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Scaling laws and diffuse locality of balanced and imbalanced MHD turbulence
近年来,将强MHD湍流理论推广到非零交叉螺旋度(或能量不平衡)的研究引起了人们极大的兴趣。在我们早期的出版物中,我们进行了三维数值模拟,并表明一些现有的模型与数值不一致。在本文中,我们把注意力集中在低不平衡限制,并进行了新的高分辨率模拟。结果强烈表明,在小的不平衡的限制,我们顺利过渡到一个标准的Goldreich-Sridhar(1995)平衡模型。我们还声称,Perez-Boldyrev(2009)模型预测,由于所谓的“动态对齐”,两个组件的非线性时间尺度相同,强烈矛盾的数字证据。
2010-05-03 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
MHD Turbulence: Scaling Laws and Astrophysical Implications
湍流是天体物理流动最常见的状态。在典型的天体物理流体中,湍流伴随着强磁场,这对湍流级联的动力学有很大的影响。近年来,磁流体动力学(MHD)湍流理论取得了重大突破。这是我们第一次有一个尺度模型,是由观测和数值模拟支持。本文综述了不可压缩湍流和可压缩湍流的研究进展。我们比较了Iroshnikov-Kraichnan和Goldreich-Sridhar模型,并讨论了Alfvén,慢波和快波的标度。我们还讨论了全新的制度下发生的MHD湍流的尺度下,流体动力学湍流运动阻尼的粘性。在部分电离的弥漫星际气体的情况下,粘性是由于中性和截断湍流级联在$\sim$秒差距尺度。我们表明,在这个尺度下,磁波动与浅谱持续和讨论的可能性后,离子和中性粒子去耦恢复的MHD级联。我们讨论了这一新的洞察力的宇宙线输运,晶粒动力学等MHD湍流的影响,以及如何检验理论预测与观测结果。
2002-05-17 astro-ph physics.ao-ph physics.flu-dyn
Strong magnetohydrodynamic turbulence with cross helicity
磁流体力学(MHD)提供了最简单的描述磁等离子体湍流在各种天体物理和实验室系统。具有非零交叉螺旋度的MHD湍流通常被称为不平衡的,因为它意味着平行和反平行于背景场传播的阿尔文波动的能量不相等。最近的分析和数值研究表明,在每一个尺度上,MHD湍流由正负交叉螺旋度区域组成,表明这种湍流本质上是局部不平衡的。本文给出了稳态不可压MHD湍流的高分辨率数值模拟结果。有人认为,沿相反方向运动的涨落能谱(E^+和E^-)的惯性范围标度与交叉螺旋度的大小无关。当交叉螺旋度不为零时,E^+和E^-保持相同的标度,但振幅不同,这取决于交叉螺旋度的大小。
2010-04-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Spectral scaling laws in MHD turbulence simulations and in the solar wind
这个问题是解决在何种程度上不可压缩磁流体力学(MHD)可以描述随机磁场和速度波动测量的太阳风。它表明,从高分辨率数值模拟得到的速度,磁场和总能量的谱指数的分布是定性和定量相似的太阳风观测在1 AU。模拟和观测都表明,在惯性范围内,磁场谱E_b比速度谱E_v陡,E_b >~ E_v,剩余能量E_R = E_b-E_v几乎遵循k_perp^-2的标度减小。
2011-06-03 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
MHD Turbulence as a Foreground for CMB Studies
对银河系扩散同步辐射的强度和偏振以及星光偏振的测量揭示了涨落的幂律谱。我们表明,这些波动可以产生磁流体动力学(MHD)湍流在银河系盘和晕。为了做到这一点,我们考虑到收敛的几何形状的观察时,观察者是在湍流体积内的视线。假设湍流强度沿视线方向变化,我们得到了与观测到的同步加速器数据的合理拟合。至于偏振星光的光谱,考虑到观测样本偏向邻近恒星的事实,我们得到了与观测值很好的拟合。
2002-05-17 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
Temporal Properties of the Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence
针对可压缩MHD湍流时间特性这一未解问题,本研究提出三种MHD模色散关系的洛伦兹展宽可解释其频谱特征,揭示了展宽宽度与波数的标度关系及与能量级联的关联,为该领域研究提供新视角。
2023-10-05 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Magnetohydrodynamic Turbulence: Chandrasekhar's Contributions \& Beyond
在1948-1955年期间,他写了四篇关于磁流体动力学(MHD)湍流的论文,这是该领域的第一批论文。在这些开创性的努力之后,该领域继续前进。本文将简要地介绍MHD湍流的重要工作,首先是从Eschrasekhar的工作开始。
2022-04-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.hist-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
Numerical simulations of strong incompressible magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流遍布宇宙,可能在各种天体物理环境中发挥重要作用。磁流体动力学(MHD)提供了最简单的理论框架,在其中可以建立湍流动力学的唯象模型。MHD湍流的数值模拟被广泛用于指导和检验理论预测,然而,模拟MHD湍流和精确测量其标度特性是远远不够的。计算能力将计算限制在中等雷诺数,并且经常进行简化假设,以便可以访问更大范围的尺度。在描述了研究强不可压缩MHD湍流的理论预测和数值方法之后,我们提出了一系列高分辨率直接数值模拟的结果。我们讨论的影响,在计算方法的不一致性可以有解决方案和它的物理解释。
2012-02-15 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR