Effect of flow shear on the onset of dynamos
通过直接数值模拟研究流剪切对发电机不稳定性的影响，发现剪切对螺旋和非螺旋基础流的小尺度发电机作用分别起抑制和放大作用，并验证了非螺旋流磁能增长率代数规律的普适性。
2023-05-31 astro-ph.GA physics.comp-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
The shear dynamo problem for small magnetic Reynolds numbers
我们研究大规模的发电机行动由于湍流中存在的线性剪切流，在低电导率的限制。我们的治疗是非微扰的剪切强度，并系统地利用剪切坐标变换和线性剪切流的伽利略不变性。速度波动被假定为具有低的磁雷诺数（Rm），但可以有任意的流体雷诺数。通过对线性剪切流的电阻格林函数的显式计算，确定了最低阶的磁涨落。计算了平均电动势，并导出了平均磁场随时间演化的积分-微分方程。在这个方程中，速度涨落贡献了两种不同的项，C项和D项，其中平均磁场的一阶和二阶空间导数分别出现在时空积分中。D项的贡献使得平均场的横切变分量的时间演化不依赖于除它们自身之外的任何其它分量。因此，对于Rm的最低阶，但对于剪切强度的所有阶，D项不能引起剪切电流辅助发电机效应。铸造的积分微分方程在傅立叶空间中，我们表明，正常模式的理论是一组剪切波，其剪切波矢量标记。积分核表示的速度谱张量，这是基本量，需要指定完成的平均磁场的时间演化的积分-微分方程描述。
2010-09-01 astro-ph.GA
Vorticity and magnetic dynamo from subsonic expansion waves
本研究通过电阻性MHD直接数值模拟发现，在无旋强迫下，纯旋转无法产生磁发电机，而背景正弦剪切能引发涡度发电机并驱动磁场指数增长至与湍动能平衡，斜压项会延迟发生但加快增长。
2023-07-26 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Helical turbulent nonlinear dynamo at large magnetic Reynolds numbers
在旋转的天体物理系统中，包括行星、恒星和星系，大尺度磁场的激发和进一步维持通常被认为涉及由螺旋磁流体动力学湍流驱动的流体磁发电机效应。虽然这种情况是有吸引力的一般理由，但它目前仍然在很大程度上不受约束，特别是因为一个基本的了解大规模的流体磁性的非线性渐近行为的天体物理学相关的，但危险的制度，大磁雷诺数$Rm$仍然缺乏。我们探索这个问题，使用本地高分辨率模拟湍流磁流体动力学驱动的非均匀螺旋强迫产生的正弦曲线的动力学螺旋度，模仿半球形分布的动力学螺旋度在旋转的湍流流体体。我们确定了一个过渡在大$Rm$的非线性状态，其次是$Rm\simeq 3\times 10^3$，由强大的，饱和的小尺度磁流体动力学湍流和较弱的，旅行相干大尺度场振荡。这种状态的特点是一个渐进的小电阻耗散的磁螺旋度，其空间重新分布通过动力学螺旋度的半球分布驱动的湍流通量在赤道，并在大$Rm$的重联典型的等离子体团的纠缠的动态磁场的试探性存在。
2021-12-09 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Global bifurcations to subcritical magnetorotational dynamo action in Keplerian shear flow
开普勒剪切流中的磁旋转发电机作用是一个三维非线性磁流体动力学过程，其研究对于理解天体物理中的吸积和磁场产生具有重要意义。向这种发电机形式的转变是亚临界的，并且与非旋转流体动力剪切流中向湍流转变的许多特征相同。这表明，这些不同的流体系统通过类似的通用分叉机制变得活跃，在这两种情况下，迄今为止还没有详细的了解。本文在剪切盒框架下，数值研究了不可压缩开普勒磁旋转发电机问题的分岔机制。使用从动力系统研究进口的数值技术，我们表明，在磁普朗特数大于1的混沌发电机行动的发病主要与全球同宿和异宿分岔的非线性磁旋转发电机周期。这些全球分支的补充，标志着倍周期级联的开始的周期的局部分支。这表明，非线性磁旋转发电机周期提供的途径，湍流注入的动能和磁能在不可压缩的磁流体动力学开普勒剪切流在没有外部施加的磁场。研究这些周期在不同的制度和配置的非线性物理和分叉，随后可能有助于更好地理解各种天体物理系统和实验室实验中的磁流体动力学湍流和不稳定驱动发电机的激发条件。为这个三维亚临界流体动力学问题提供的全局分叉的详细表征也可能证明对流体动力学剪切流中的湍流过渡问题有用。
2013-06-14 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic helicity fluxes in dynamos from rotating inhomogeneous turbulence
本文通过直接数值模拟研究了旋转非均匀湍流中的大规模发电机，发现剪切引起的半球小尺度磁螺旋度流能缓解灾难性发电机淬灭，使平均磁场独立于磁雷诺数。
2025-05-01 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Some consequences of shear on galactic dynamos with helicity fluxes
由超新星（SN）驱动的湍流和差分旋转维持的银河发电机模型揭示了大尺度场的维持需要小尺度磁螺旋度的通量才能维持。在这里，我们概括了一个最低限度的分析版本，这样的银河发电机探索一些迄今未包括的贡献剪切的总湍流能量和湍流相关时间，与螺旋度通量保持风，扩散，或磁浮力。我们构建了一个分析框架，模拟湍流能量和相关时间作为SN速率和剪切的函数。我们比较我们的处方与以前的方法，只包括旋转。该解决方案分别取决于旋转周期和涡流周转时间，而不仅仅是在他们的比率（罗斯比数）。我们认为，这两个时间尺度是允许独立的模型，也是一种情况下，它们是相互依赖的半径时，一个径向依赖SN速率模型被调用。对于一个固定的旋转周期（或固定的半径）的情况下，我们表明，剪切的影响是戏剧性的低Rossby数，减少湍流的相关时间，这反过来又大大降低了发电机的饱和值相比的情况下，剪切被忽略。我们还表明，即使在没有风或扩散通量，磁浮力可能能够维持足够的螺旋度通量，以避免淬火。
2017-04-11 astro-ph.GA
High Magnetic Shear Gain in a Liquid Sodium Stable Couette Flow Experiment; A Prelude to an alpha-Omega Dynamo
NMIMT与LANL合作进行的液体钠$α$ - $Ω$发电机实验的$Ω$ -阶段已经成功地证明了从所施加的极向磁场的径向分量$B_r$产生高的环向场$B_ϕ \simeq 8\times B_r$。这种增强的环向场是由$Rm \simeq 120$中液态钠内稳定库埃特流中的旋转剪切产生的。稳定Taylor-Couette流中的小湍流是由Ekman流引起的，其中$ (δv/v)^2 \sim 10^{-3} $。低湍流中的这种高$Ω$增益与较高湍流、亥姆霍兹不稳定剪切流中的较小$Ω$增益形成对比。这一结果支持了大尺度天体物理磁场是在半相干大尺度运动中产生的假设，在这种运动中，湍流只起较小的扩散作用，使磁链成为可能。
2010-12-01 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.flu-dyn
Turbulent dynamo with advective magnetic helicity flux
许多天体都具有磁场，人们认为这些磁场是由发电机过程维持的。然而，有人认为，生产的大规模磁场的平均场发电机行动强烈抑制在大的磁雷诺数，由于磁螺旋守恒。这种现象被称为{ \it灾难性淬灭}。恒星风和银河风将磁场向外边界平流，并远离发电机，预计会减轻这种猝灭。在这里，我们将探讨平流和湍流的相对作用-扩散通量的磁螺旋发电机。特别是，我们研究发电机是如何影响平流。我们这样做是通过执行直接的数值模拟的湍流发电机的$α^2$型驱动的强制湍流在笛卡尔域中的存在下，远离赤道的螺旋度改变的迹象。我们的结果表明，在平流的存在下，发电机，否则固定，成为振荡。我们证实了较早的结果，湍流扩散磁螺旋通量，小磁雷诺数（$\Rm\lesssim 100...200$，基于波数的能量携带的漩涡）的磁螺旋通量规模不那么强烈的磁雷诺数（$\Rm^{-1/2}$）比长期描述磁螺旋破坏电阻率（$\Rm^{-1}$）。我们的新结果现在表明，对于较大的$\Rm$，前者变得近似独立于$\Rm$，而后者下降得更慢。我们首次表明，无论是弱风和强风，磁螺旋度通量项成为可比的电阻项$\Rm\gtrsim 1000$，这是必要的，以减轻灾难性的淬火。
2012-11-13 astro-ph.GA
Mean field dynamo action in renovating shearing flows
本文研究了剪切作用下有限非零关联时间（$τ$）流场的平均场发电机作用。以前的结果时，剪切是不存在的情况下，被推广到剪切的情况。的平均磁场是否可以增长的剪切和非螺旋湍流的存在下，在数值模拟中看到的问题，检查。我们表明，在一般的方式，如果运动是严格的非螺旋，那么这样的平均场发电机行动是不可能的。该结果不限于低（流体或磁性）雷诺数，也不使用任何闭合近似;它仅假设流动在每个时间间隔$τ$后自我更新。通过对具有螺旋度的翻新流的特殊形式的研究，我们恢复了$α^2 Ω$发电机在小$τ$和大波长极限下的标准色散关系。因此，平均场的增长，即使在存在迅速增长的波动，令人惊讶的是，在一种方式预测的标准准线性封闭，即使这样的封闭是不严格的理由。我们的工作还表明，在螺旋度波动的存在下获得平均场发电机增长的可能性，虽然有一个连贯的螺旋度将更有效。
2012-04-12 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Efficient quasi-kinematic large-scale dynamo as the small-scale dynamo saturates
恒星和星系中的大尺度磁场被认为是由于螺旋湍流和剪切的综合影响而产生的平均场发电机作用。这些系统也是高度导电的，并且其中的湍流导致波动（或小尺度）发电机，其更快速地放大涡流尺度上的磁场波动并且更小。那么这会干扰和抑制平均（或大规模）场生长吗？使用直接数值模拟的螺旋湍流（有和没有剪切），我们确定了一种新的准运动学的大规模发电机的小规模发电机饱和。因此，这两个发电机一个接一个地有效运转，并导致产生重要的大规模领域。
2019-05-20 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the saturation mechanism of the fluctuation dynamo at ${\text{Pr}_\mathrm{M}} \ge 1$
在许多天体中，磁场的存在是由于发电机的作用，即一部分动能转化为磁能。产生与湍流相同尺度的磁场结构的湍流发电机被称为波动发电机。我们使用数值模拟来探索非线性的，统计稳定状态的波动发电机驱动湍流。我们证明，作为磁场增长饱和，它的放大和扩散都受到反作用的洛伦兹力的流动。由于速度场、磁场和电流密度之间的较强对准，磁场的放大减小。此外，我们确认，放大率下降，由于较弱的拉伸的磁场线。相对于场线拉伸的扩散增强通过计算的磁雷诺数的局部值的减少来量化。使用闵可夫斯基泛函，我们量化的磁结构的形状所产生的发电机作为磁丝和丝带在运动和饱和发电机，并推导出缩放的典型长度，宽度和厚度的磁结构与磁雷诺数。我们发现，所有这三个磁长度尺度的发电机饱和时增加。在运动发电机（磁场强度呈指数增长）中，磁不稳定性很强，在统计稳定状态下持续存在，但强磁丝和磁带的体积更大。
2020-03-18 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
On the existence of shear-current effects in magnetized burgulence
解释剪切流发电机的磁剪切电流（MSC）效应的可能性，通过数值模拟检查。我们的主要诊断是湍流磁扩散系数张量$\boldsymbolη$的测定。在我们的设置中，其组件$η_{yx}$的负号是必要的相干发电机行动的SC效应。为了能够测量湍流输运系数的系统与磁背景湍流，我们提出了一个扩展的测试场方法（TFM），适用于我们的设置，其中的压力梯度是从动量方程：非线性TFM（NLTFM）下降。我们的动量方程与Burgers方程有关，由此产生的流动被称为磁化Burgulence。我们使用随机动力学和磁强迫模拟的情况下，同时与小规模发电机行动（SSD）。当我们的力量只有动力学，负的$η_{yx}$得到的径向和方位平均磁场分量的指数增长。使用各向同性磁强迫，场增长不再是指数的，而NLTFM产生正的$η_{yx}$。通过采用一种替代强迫，其中具有小的组件的波矢量被删除，指数增长被恢复，但NLTFM的结果没有显着改变。分析了相干SC和非相干$α$以及SC效应的发电机激励条件，表明在大多数情况下，非相干效应是发电机的主要驱动因素。在我们的模拟中，我们没有发现MSC效应驱动发电机的证据。
2021-01-12 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetized compressible turbulence with a fluctuation dynamo and Reynolds numbers over a million
本研究开展了雷诺数超百万的超音速MHD湍流高分辨率模拟，发现动能谱在动能主导与强磁化尺度间存在突变，并揭示了局部弛豫区域的形成机制及其对级联过程和涨落发电机饱和的深刻影响。
2024-05-29 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.comp-ph
Nonperturbative quasilinear approach to the shear dynamo problem
我们研究大规模发电机行动由于湍流中存在的线性剪切流。我们的治疗是准线性的，相当于标准的“一阶平滑近似”。然而，它是非微扰的剪切强度。本文首先利用剪切坐标变换和线性剪切流的伽利略不变性，导出了平均磁场演化的积分微分方程。我们表明，对于非螺旋湍流，平均场的横向剪切分量的时间演化不依赖于任何其他组件，除了自己，这是有效的任何伽利略不变的速度场，独立于其动力学。因此，对于剪切参数的所有阶数，在零电阻率极限下的准线性理论中，线性剪切流中的非螺旋湍流不存在剪切电流型效应。然后，我们开发了一个系统的近似的积分微分方程的情况下，当平均磁场变化缓慢的湍流相关时间。对于非螺旋湍流，所得到的偏微分方程可以再次通过在傅立叶空间中进行剪切坐标变换来求解。所得的解是剪切波的形式，用剪切坐标中的波数来标记。这些剪切波可以在早期和中期增长，但预计会在长时间内衰减。
2010-01-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmic-ray driven dynamo in the interstellar medium of irregular galaxies
不规则星系通常比螺旋星系、S0星系和椭圆星系更小，质量也更小。射电观测表明，磁场存在于不规则星系中，其值与螺旋星系中的磁场相似。然而，不规则星系的星际介质中的条件不利于磁场的放大，因为旋转慢，剪切率低。本文研究了不规则星系的星际介质中宇宙线驱动的发电机。在慢旋转和弱剪切条件下研究了其效率。在我们的模型中也考虑了恒星的形成，并通过爆炸和活动调制的频率来参数化。数值模型包括一个由宇宙射线驱动的磁流体动力发电机，宇宙射线通过随机爆炸的超新星注入星际介质。在模型中，我们还包括必要的元素，如垂直重力盘，微分旋转近似的剪切盒，和电阻率导致磁重联。我们发现，即使是缓慢的银河系旋转与低剪切率放大磁场，和快速旋转与低值的剪切提高发电机的效率。我们的模拟已经表明，大量的磁能离开模拟箱成为星系际磁场的有效来源。
2010-09-27 astro-ph.GA
The Elemental Shear Dynamo
一个准线性理论是如何随机强迫，正压速度波动导致指数增长，大规模（平均）磁发电机在存在的均匀剪切流，$\vec{U} = S x \vec{e}_y$。这是一个“运动学”理论，用于从一个小的初始种子开始平均磁能的增长，忽略了洛伦兹力的饱和效应。准线性近似是最广泛的合理性，其对应的非线性磁流体力学的计算解决方案，它是严格推导出的大电阻率，$η\rightarrow \infty$的限制。即使在强迫或气流中没有平均螺旋度，发电机作用也会发生，但随机螺旋度方差是必不可少的。在一个足够大的域和小的波数$k_z$在垂直于平均剪切平面的方向，一个正的指数增长率$γ$可以发生任意值的$η$，粘度$ν$，和随机强迫相关时间$t_f$和相位角$θ_f$在剪切平面。$γ$的值与域大小无关。剪切发电机是“快速”的，具有在$η\rightarrow 0$极限内的有限$γ> 0$。在随机强迫集合上取平均值，平均磁场的增长要比均方根值慢得多。磁场（magnetic energy）在小雷诺数（$η, \ ν\rightarrow \infty$）的限制下，当强迫是稳定的（$t_f \rightarrow \infty$）时，发电机的行为与众所周知的α-ω { \it anomax}有关，而当强迫是纯波动的时，发电机的行为与“非相干的”α-ω { \it anomax}有关。
2011-10-12 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.GA
Alpha effect and dynamo in density-stratified turbulence with large-scale shear: applications to protoplanetary discs and astrophysical clouds
Ben-Gurion University of Negev（内盖夫本-古里安大学）
研究密度分层湍流与大尺度剪切共同作用产生的α效应和平均场发电机效应，探讨其在原行星盘和天体物理云中的应用。
2026-03-18 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Fundamental scales in the kinematic phase of the turbulent dynamo
湍流发电机是将湍流动能转换为磁能的强大机制。一个关键的问题，关于磁场放大的湍流，是，在什么规模，$k_{\rm p}$，磁场成为最集中？关于$k_{\rm p}$是由粘性尺度$k_ν$（湍流动能耗散）还是电阻尺度$k_η$（磁场耗散）控制，存在一些分歧。在这里，我们使用直接的磁流体动力学湍流的数值模拟来测量的湍流发电机的运动学阶段的特征尺度。我们运行$104$ -模拟与流体动力学雷诺数的$10 \leq {\rm Re} \leq 3600$，和磁雷诺数的$270 \leq {\rm Rm} \leq 4000$，探索$k_{\rm p}$对$k_ν$和$k_η$的依赖性。使用物理动机模型的动能和磁能谱，我们测量$k_ν$，$k_η$和$k_{\rm p}$，确保获得的尺度数值收敛。我们确定的整体耗散尺度关系$k_ν= (0.025^{+0.005}_{-0.006})\, k_{\rm turb}\, {\rm Re}^{3/4}$和$k_η= (0.88^{+0.21}_{-0.23})\, k_ν\, {\rm Pm}^{1/2}$，其中$k_{\rm turb}$是湍流驱动波数和${\rm Pm}={\rm Rm}/{\rm Re}$是磁普朗特数。我们证明了$k_{\rm p}$的原理依赖于$k_η$。对于等离子体的${\rm Re} \gtrsim 100$，我们发现，$…
2022-04-07 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Helicity conservation in nonlinear mean-field solar dynamo
我们使用包含次表层剪切的轴对称发电机模型来探讨磁螺旋度守恒对平均场太阳发电机的影响。我们的研究结果支持了Hubbard & Brandenburg（2012）最近的发现，他们认为如果考虑到总磁螺旋度守恒，平均场发电机中的灾难性淬灭会得到缓解。我们表明，太阳发电机可以在磁雷诺数高达$10^{6}$的宽范围内运行。我们还发现，磁螺旋度的边界条件影响的$α$ -效应的分布在太阳表面附近。
2012-11-11 astro-ph.GA astro-ph.SR
Universal Nonlinear Small-Scale Dynamo
我们考虑天体物理相关的非线性磁流体发电机在大雷诺数（Re）。我们认为，在一定意义上，磁能的增长率是湍流总耗散率的一个常数C_E，这是普遍的。基于局部性界限，我们声称这种“小规模发电机的效率”C_E对于大Re来说是一个真正的常数，并且仅由均分尺度下的强非线性动力学决定。我们在数值模拟中测量了C_E，并在最高分辨率模拟中观察到约0.05的值。我们解决了C_E很小的问题，不像Kolmogorov常数是阶单位的。
2011-09-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.geo-ph
Cosmic-ray driven dynamo in the medium of irregular galaxy
本文研究了宇宙线驱动的不规则星系星际介质发电机。Chyzy等2000、2003年的观测表明，不规则星系中存在磁场，其值达到与旋涡星系相同的水平。而不规则星系的介质条件由于自转慢、剪切率低，对磁场的放大非常不利。本文提出了不规则星系中星际介质的数值模型。该模型包括由随机超新星爆炸提供的星际介质中的宇宙射线驱动的磁流体动力发电机。我们描述的模型，其特征在于不同的剪切和旋转。我们发现，即使是低速的银河系旋转和低剪切率也会放大磁场。模拟结果表明，大量的磁能流出模拟区域，成为星系际磁场的有效来源。
2009-01-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
Shedding light on the MRI driven dynamo in a stratified shearing box
本研究通过分层零净通量剪切盒模拟，揭示MRI驱动发电机中α-Ω机制主导，并采用IROS算法提取湍流系数，发现外流和湍流泵送为主要汇项。
2024-07-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Traces of large-scale dynamo action in the kinematic stage
使用直接数值模拟（DNS），我们验证了在运动学状态下，湍流螺旋发电机以这样一种方式增长，即磁能谱保持高精度的形状不变，即，在每个波数$k$，频谱以相同的增长率增长。大规模发电机作用的特征可以通过两个相反极化成分之一的小$k$上的过剩磁能来识别。还可以选择磁场的适当定义的平面平均值，使得其rms值隔离平均场的强度。然而，这些不同的分析方法表明，大尺度场的强度随着磁雷诺数${\rm Re}_{\rm M}$的增加而减小，如${\rm Re}_{\rm M}^{-1/2}$（对于中间值）和${\rm Re}_{\rm M}^{-3/4}$（对于较大值）。包括螺旋度和DNS的卡赞采夫模型的分析都表明，这是由于磁能谱仍然在电阻标度处达到峰值，即使存在螺旋度。正如预期的那样，大尺度场的振幅随着分数螺旋度的增加而增加，使我们能够确定大尺度发电机作用的开始，并将其与小尺度发电机的开始区分开来。我们的DNS表明，相反，早期的结果为较小规模的分离（只有1.5，而不是现在的4），小规模的发电机仍然可以激发在磁普朗特数为0.1，只有中等值的磁雷诺数（$\sim 160$）。
2014-09-17 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
