关于发电机理论中几个典型假设的注记

具有金属壁的球形区域中von Kármán型发电机的自洽模拟

Self-consistent simulations of a von Kármán type dynamo in a spherical domain with metallic walls

我们已经进行了数值模拟的边界驱动发电机使用三维非线性磁流体动力学模型在球壳几何形状。磁性普朗特数Pm=0.01的导电流体被两个半球壁的反向旋转驱动而运动。由此产生的流动是冯卡门型的，由靠近外壁的纬向速度层和次级纬向环流组成。在一定的强迫阈值以上，赤道带内的平均气流对非轴对称运动是不稳定的。对于固定强迫高于这个阈值，我们已经研究了这个流的发电机特性。在这些参数下，导电外壁的存在对于发电机的存在是必不可少的。因此，我们研究了改变壁的材料参数（磁导率，电导率和厚度）对发电机的影响。与以前的研究一样，我们发现发电机只有当电导率或渗透率足够大时才能得到。然而，我们发现这两个参数对发电机过程的影响是不同的，甚至可以竞争到发电机的损害。我们的自我一致的方法使我们能够详细分析发电机反馈回路。我们得到的发电机是典型的轴对称环形磁场和轴向偶极子分量占主导地位。我们表明，外剪切层产生一个强大的环向场的能力，关键取决于存在一个导电的外壁，它屏蔽了真空外的流体。另一方面，轴对称极向场的产生发生在赤道带，并且不依赖于壁的性质。

平面旋转对流中的大尺度涡发电机

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。

年轻星系中的磁场放大

Magnetic Field Amplification in Young Galaxies

目前的宇宙是高度磁化的，在像银河系这样的典型星系中，磁场的量级为几个10^-5 G，相干长度大于10 kpc。我们认为，磁场在星系的形成和早期演化过程中已经被放大到这个值。年轻星系中的湍流是由吸积和第一代恒星的超新星（SN）爆炸驱动的。小尺度发电机可以将湍流动能转化为磁能，并在短时间尺度上放大非常弱的原始磁种子场。放大发生在两个阶段：在运动学阶段的磁场指数增长，最大的增长在最小的非电阻规模。在接下来的非线性阶段，磁能向更大的尺度移动，直到发电机在湍流强迫尺度上饱和。为了定量描述磁场的放大，我们建立了年轻星系星际介质的微观物理模型，并确定了小尺度发电机的增长率。我们估计两个湍流强迫机制：吸积驱动的湍流和SN驱动的湍流的饱和场强和发电机时标。我们比较他们达到的场强，当只有恒星磁场分布的SN爆炸。我们发现，小尺度发电机是更有效地磁化年轻星系的ISM。在吸积驱动的湍流中，经过2400万年~ 27000万年的时间，磁场强度达到10^-6 G的量级;而在SN驱动的湍流中，仅仅经过400万年~ 1500万年，发电机就在典型的10^-5 G的磁场强度下饱和。这比哈勃时间短得多。我们的工作可以帮助理解为什么今天的星系是高度磁化的。

球壳中的磁对流：从弱场到强场 regime 过渡期间的赤道对称性

Magnetoconvection in a spherical shell: Bridging the gap between weak and strong-field dynamo regimes

研究通过磁对流模拟探讨了从弱场到强场 regime 过渡过程中赤道对称性的破坏，揭示了强场 dynamo 的形成机制。

Helical turbulent nonlinear dynamo at large magnetic Reynolds numbers

The excitation and further sustenance of large-scale magnetic fields in rotating astrophysical systems, including planets, stars and galaxies, is generally thought to involve a fluid magnetic dynamo effect driven by helical magnetohydrodynamic turbulence. While this scenario is appealing on general grounds, it however currently remains largely unconstrained, notably because a fundamental understanding of the nonlinear asymptotic behaviour of large-scale fluid magnetism in the astrophysically-relevant but treacherous regime of large magnetic Reynolds number $Rm$ is still lacking. We explore thi…

稳定分层旋转流体中的 Tayler–Spruit 发电机：在原磁星上的应用

Tayler-Spruit dynamo in stably stratified rotating fluids: Application to proto-magnetars

本研究利用 MagIC 三维 MHD 模拟考察稳定分层旋转 PNS 中的 Tayler–Spruit 发电机，验证强分层下的自持放大与 Fuller 等标度律，发现间歇性状态，并标定磁星形成及恒星角动量输运模型。

核-幔边界热点的宽度、幅度和位置对核对流和发电机action的影响

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。

在地球发电机模拟中接近真实的力平衡

Approaching a realistic force balance in geodynamo simulations

地球维持其磁场的发电机过程由液体外核对流驱动。地球发电机模拟已经成功地再现了许多观测到的地磁场特性。然而，虽然理论上的考虑表明，核心中的流动是由洛伦兹力，旋转力和浮力之间的平衡（称为磁，阿基米德，科里奥利MAC平衡）与粘性和惯性力只有微小的作用，发电机模拟必须采用粘度值，由于计算的限制，许多数量级大于核心。在典型的地球发电机模型中，粘性力和惯性力并不比科里奥利力小多少，而洛伦兹力起次要作用。这导致的结论是，这些模拟是粘性控制，并不代表地球发电机的物理。在这里，我们表明，通过直接分析的相关力量，MAC平衡时，粘度降低到接近目前的实际限制的值可以实现。洛伦兹力、浮力和科里奥利力的未补偿（通过压力）部分具有非常相似的强度，而粘性和惯性在流体体积的主体中小至少20倍。与其他参数相同的非磁对流相比，发电机流的尺度更大，平行于旋转轴的不变性更小（地转性更小），对流传输的热量是对流的两倍，当洛伦兹力强烈影响对流特性时，所有这些都是可以预期的。

旋转剪切流中磁性Turbulence的性质

On the Nature of Magnetic Turbulence in Rotating, Shearing Flows

在剪切盒模型的框架下，研究了旋转剪切流中由磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的局部特性。基于数值模拟，我们提出MRI驱动的湍流包括两个组成部分：大尺度剪切排列的强磁场和类似磁流体动力学（MHD）湍流的小尺度波动。大尺度分量的能谱接近于$k^{-2}$，而小尺度分量的能谱则与强MHD湍流$k^{-3/2}$的能谱一致。虽然波动的频谱是普遍的，但湍流的外尺度特征不是;它们取决于系统的参数，如净磁通量。然而，所允许的湍流状态之间存在着显著的普适性--它们的强度$v_0$和外尺度$λ_0$满足平衡条件$v_0/λ_0\sim \mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$，其中$\mathrm dΩ/\mathrm d\ln r$是流动的局部轨道剪切率。最后，我们发现没有持续的发电机行动中的$\mathrm{Pm}=1$零净通量的情况下，雷诺数高达$45\,000$，铸造怀疑存在的MRI发电机在$\mathrm{Pm}\leq 1$制度。