Nonmodal growth of the magnetorotational instability
我们用非模态方法分析了磁旋转不稳定性（MRI）在短时间内的线性增长。我们的研究结果是完全不同的标准结果，说明剪切波能量可以增长在最大的MRI率，$-dΩ/d \ln r,$的任何选择的方位角和垂直波长。此外，通过比较剪切波的增长与静态结构，我们表明，在短时间尺度剪切波将永远是动态的更重要的比静态结构在理想的限制。通过证明快速线性增长是可能的，在所有波长，这些结果表明，非模态线性物理可以在MRI湍流中发挥重要作用。
2014-06-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational Dynamo Action in the Shearing Box
本文在剪切盒近似下，研究了无外加净磁通量时由磁旋转不稳定性引起的磁发电机作用。与最近的研究一致，发电机的行动被发现是敏感的纵横比的盒子：这是更容易获得高盒（在垂直于磁盘平面的方向拉伸）比长盒（在径向方向拉伸）。我们的直接数值模拟表明，发电机是可能的，在这两种情况下，给定一个足够大的磁雷诺数。为了解释相对较大的努力，需要获得发电机行动在一个长的盒子，我们建议，最有效地折叠和混合的磁场线在径向方向上的不稳定性所造成的湍流涡流。因此，在长箱中，所产生的强方位（流向）磁场的尺度总是与湍流涡旋的尺度相当。相反，在高盒子中，方位角磁通量在垂直方向上传播超过湍流涡旋尺度的距离。其结果是，不同的垂直截面的高箱渗透的大规模非零方位磁通量，促进不稳定性。与此相一致，发电机有效时的情况下，其特征在于由一个强的方位角磁通量的磁不稳定性。
2017-04-27 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Simulating the magnetorotational instability on a moving mesh with the shearing box approximation
本文将运动网格代码AREPO与Dedner散度清除用于剪切盒MRI模拟，验证线性增长、零净通量湍流、发电机及分层结构，并表明其适合全局盘和大密度变化问题。
2023-09-27 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.IM
Calliope: Pseudospectral shearing magnetohydrodynamics code with a pencil decomposition
伪谱方法是一种适用于湍流模拟的高精度数值方法。我们已经开发了一个开源的伪谱代码，\textsc{\textsf{Calliope}}，它采用P3DFFT库\citep{Pekurovsky2012}进行快速傅立叶变换与二维（铅笔）分解的数值网格。\textsc{\textsf{Calliope}}可以求解不可压缩磁流体力学（MHD）、等温可压缩MHD和旋转约化MHD，并使用大量核心（$2048^3$网格的$> 10^5$核心）进行并行计算。该程序还可以使用重映射方法\citep{Rogallo1981,Umurhan2004}求解剪切坐标系中的局部磁旋转湍流。\textsc{\textsf{Calliope}}是目前唯一一个可以利用磁旋域分解计算磁旋湍流的伪谱程序。本文给出了\textsc{\textsf{Calliope}}的数值格式以及线性和非线性数值试验的结果，包括迄今为止报道的最大网格数的可压缩局部磁旋转湍流。
2022-01-25 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Saturation of the magnetorotational instability in the unstratified shearing box with zero net flux: convergence in taller boxes
以前的研究中的一个特定类型的剪切盒模型的非线性制度的磁旋转不稳定性-未分层，没有净磁通量-发现，没有明确的耗散（粘度和电阻率）的饱和振幅随数值分辨率的增加而减小。我们发现，这一结果是强烈依赖于计算域$L_z/L_x$的垂直纵横比。当$L_z/L_x\lesssim 1$，我们恢复以前的结果。然而，当垂直域扩展到$L_z/L_x \gtrsim 2.5$时，我们发现应力的饱和水平大大增加（给出应力与压力之比$α\gtrsim 0.1$），而且结果与数值分辨率无关。与以前的结果相一致，我们发现，饱和的MRI在这个制度是由一个循环发电机，产生补丁的强环向场，开关的符号在垂直方向上的尺度$L_x$。我们推测，当$L_z/L_x\lesssim 1$，发电机被抑制的垂直域的小尺寸，导致令人费解的饱和振幅分辨率的依赖性。我们表明，以前的玩具模型开发来解释MRI发电机与我们的研究结果是一致的，并且在分层剪切盒模拟（导致所谓的蝴蝶图）中观察到的环形场的循环模式也可能是相关的。在高框的饱和振幅是不敏感的显式耗散是否包括在计算中，至少对于大的磁雷诺数和普朗特数。最后，我们表明MRI湍流在高域有一个较小的临界$\rm{Pm}_c$，和延长的寿命相比，$L_z/L_x\lesssim 1$框。
2015-12-03 astro-ph.HE
Large scale dynamo action precedes turbulence in shearing box simulations of the magnetorotational instability
我们研究发电机产生（指数增长）的大规模（平面平均）领域的非分层剪切盒模拟的磁旋转不稳定性（MRI）。与以前的研究仅限于水平（$x$-$y$）平均，我们证明了存在大规模的字段时，无论是水平或垂直（$y$-$z$）平均。通过计算平面平均场和功率谱，我们发现大规模的发电机行动在早期的MRI生长阶段-一个以前未确定的功能。快速增长的水平低模式和基准垂直模式在一个狭窄的波数范围内放大这些平面平均场的MRI增长阶段，湍流集之前。大尺度场增长需要线性波动而不是非线性湍流（如由模式-模式耦合定义的），并且作为MRI的直接全局模式增长。只有通过垂直平均，才能表明水平低波数MRI模式的增长直接反馈到初始垂直场，提供了关于为什么大尺度垂直场在饱和状态下维持对抗湍流扩散的线索。我们计算平面平均场方程中的项，以确定垂直和水平平均对大尺度场增长的个体贡献。发现从这种垂直平均获得的大规模场与Ebrahimi\& Blackman之前研究的全球圆柱模拟和准线性分析分析相当。我们讨论了这些新的结果，了解大规模MRI发电机饱和和湍流的潜在影响。
2016-05-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Fully kinetic shearing-box simulations of magnetorotational turbulence in 2D and 3D. I. Pair plasmas
磁旋转不稳定性（MRI）是决定天体物理吸积盘宏观动力学的基本机制。在超大质量黑洞周围的无碰撞吸积流中，MRI驱动的等离子体湍流级联到微观（即动力学）尺度可以导致增强的角动量传输和再分布，非热粒子加速，以及电子和离子不均匀加热的双温状态。然而，这种微观物理学不能用通常用于研究MRI的标准磁流体动力学（MHD）方法来捕获。在这项工作中，我们探讨了MRI湍流在一对等离子体的非线性发展，采用完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟在二维和三维。首先，我们彻底研究了轴对称MRI与二维模拟，解释如何以及为什么二维几何产生的结果，从MHD的预期有很大的不同。然后，我们进行了最大的（迄今为止）3D模拟，我们采用了一种新的剪切盒的方法，证明了3D PIC模型可以重现中尺度（即MHD）MRI动力学在足够大的运行。通过我们的完全动力学模拟，我们能够描述由无碰撞MRI驱动的非热粒子加速和角动量输运。由于这些微观过程最终导致在吸积等离子体中发射出潜在的可测量辐射，因此我们的工作对于从第一原理理解当前和未来的观测具有首要意义，超越了流体（MHD）模型的限制。虽然在这第一项研究中，为了简单起见，我们专注于对等离子体，但我们的结果代表了设计更逼真的电子-离子模拟的重要一步，我们将在未来的工作中专注于此。
2022-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Wave interference as the origin of the cyclic magnetorotational dynamo in accretion disks: insights from weakly nonlinear theory and local shearing box simulations
Institute for Advanced Study（高等研究院）；Princeton University（普林斯顿大学）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（基础物理研究所）
本文通过弱非线性理论和局部剪切箱模拟，揭示了磁旋转不稳定性在吸积盘中产生大尺度循环发电机的波干涉机制，预测了周期和振幅的标度关系。
2026-05-08 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Particle-in-cell Simulations of the Magnetorotational Instability in Stratified Shearing Boxes
本研究针对黑洞周围低光度吸积盘的无碰撞磁旋转不稳定性，开展带净垂直场分层剪切盒的二维三维PIC模拟，发现盘膨胀、外流、类发电机过程等，证实非热粒子加速幂律分布，为低光度吸积盘MRI效应建模迈出第一步。
2023-08-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Stochastic Particle Acceleration in Turbulence Generated by the Magnetorotational Instability
我们研究吸积流中的随机粒子加速。磁旋转不稳定性（MRI）在吸积流内部产生湍流，而宇宙射线（CR）被湍流加速。我们计算的运动方程CR在MRI产生的湍流场与剪切盒近似无反作用的字段。结果表明，CRs通过与湍流场的相互作用随机地获得或损失其能量。CR在位形空间中各向异性地扩散：在未扰动流方向上的扩散系数大约是玻姆系数的20倍，而在其他方向上的扩散系数仅是玻姆系数的几倍。动量分布是各向同性的，其演化可以由动量空间中的扩散方程描述，其中扩散系数是CR动量的幂律函数。我们表明，剪切加速度有效地工作的高能粒子。我们还谨慎地注意到，在剪切盒近似中，沿着径向多次穿过模拟盒的粒子受到洛伦兹变换的非物理失控加速度，这需要特别小心。
2016-02-25 astro-ph.HE
Collisionless Magnetorotational Turbulence in Pair Plasmas: Steady-state Dynamics, Particle Acceleration, and Radiative Cooling
该研究利用三维完全动力学剪切盒模拟和同步辐射冷却策略，揭示成对等离子体磁旋转湍流在动力学尺度的谱变陡、角动量输运及不依赖初始条件的非热粒子加速。
2024-06-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
What Is The Numerically Converged Amplitude of MHD Turbulence in Stratified Shearing Boxes?
本文研究了分层剪切盒中磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流的性质，该盒具有流出边界条件和由自洽耗散和辐射损失确定的状态方程。在一个固定的计算框内进行了一系列的模拟与提高分辨率。我们实现了径向和方位角分辨率的数值收敛。随着垂直分辨率的提高，应力与压力的比值仅缓慢增加，但应力和压力的绝对水平显著增加。在磁盘的核心内的磁场的垂直相关长度是高度依赖于时间的，但随着时间的推移平均，它是$\simeq 3$倍以上，发现在以前的unstratifed模拟。这种相关长度随着垂直分辨率的增加而缓慢减小。我们认为，这种更大程度的相关性在分层比非分层磁盘，即使在中面附近，是由于现场浮力。我们进一步表明，波动的帕克不稳定性驱动磁场上涌在几个scaleheights从中平面是分层的MHD湍流磁盘的特点。
2009-12-11 astro-ph.HE
Global simulations of magnetorotational turbulence I: convergence and the quasi-steady state
磁旋转湍流为吸积盘中的角动量输运提供了一种可行的机制。我们提出了全球性的，三维（3D），MHD吸积盘模拟，调查分辨率的湍流应力的依赖性。收敛的时间和体积平均应力-气体压力比，在值为$\sim0.04$，被发现的模型与径向，垂直和方位角分辨率为12-51，27，和12.5细胞每刻度高度（模拟网格是这样的细胞每刻度高度在径向方向上变化）。对盘的主体（|z| <2 H）进行控制体积分析，以检查磁能的产生和去除。麦克斯韦应力与平均磁盘旋转相结合，主要负责磁能的产生，而湍流耗散（由数值电阻率促进）主要是从磁盘中删除磁能。根据控制体积的边界上的麦克斯韦应力和控制体积内的洛伦兹力注入的功率来重新铸造磁能方程，突出了（控制体积的）边界条件的重要性。剪切盒和整体吸积盘模拟的不同收敛性质可以很容易地理解的基础上选择的边界条件和磁场配置。周期性边界条件限制了磁场中大尺度梯度的建立，限制了通过洛伦兹力和表面应力传递到磁盘的功率。这一发现解释了我们的全球盘模型相比，分层剪切盒的湍流应力收敛所需的三个较低的分辨率的因素。（节录）
2013-07-08 astro-ph.HE
Does magnetic field promote or suppress fragmentation in AGN disks? Results from local shearing box simulations with simple cooling
该研究通过局部剪切盒模拟探究磁场对AGN盘碎裂的影响，发现磁主导状态下碎裂程度和引力应力会急剧下降，磁抬升效应抵消了径向磁场的促碎裂作用，该结果对AGN吸积流及盘嵌恒星形成研究有重要意义。
2025-07-29 astro-ph.HE
Sustained Magnetorotational Turbulence in Local Simulations of Stratified Disks with Zero Net Magnetic Flux
在采用剪切盒近似的局部模拟中，我们研究了密度分层对磁旋转不稳定性驱动的磁流体动力学湍流的影响。我们的主要结果是，即使在没有明确的耗散，增加垂直重力导致收敛的湍流能量密度和应力的分辨率增加，相反的结果为零净通量，未分层的盒子。总应力与中平面压力之比的平均值约为0.01，尽管在长时间（> 50个轨道）的时间尺度上可能会有显著的波动。我们发现，时间平均应力在很大程度上是不敏感的径向或垂直的长宽比我们的模拟域。对于模拟与明确的耗散，我们发现，分层扩展的范围内的雷诺数和磁普朗特数的湍流是持续的。在总结前人研究结果的基础上，我们发现了大尺度环向场周期为10个轨道的振荡，并描述了这些周期的发电机过程。
2009-09-08 astro-ph.HE
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。
2015-12-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetorotational Turbulence and Dynamo in a Collisionless Plasma
我们提出的结果，从第一个三维动力学数值模拟的磁旋转湍流和发电机，使用本地剪切盒模型的碰撞吸积盘。动力学磁旋转不稳定性的增长从一个亚热磁场具有零净通量的计算域，以产生自持湍流和向外角动量输运。显著的麦克斯韦和雷诺应力伴随着由场对准离子压力各向异性产生的可比粘性应力，其主要由通过粒子捕获和俯仰角散射的镜和离子回旋不稳定性来调节。后者赋予等离子体的有效粘度是偏置的磁场方向和时空可变的。能谱表明，在大尺度上的阿尔文波级联和动力阿尔文波级联在小尺度上，具有强的小尺度密度波动和弱的非轴对称密度波。离子经历非热粒子加速，它们的分布由卡帕分布精确描述。这些结果对低碰撞性吸积流的性质有影响，例如银河系中心黑洞附近的吸积流。
2016-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dissipative structures in magnetorotational turbulence
通过吸积过程，磁旋转湍流从磁盘的轨道运动中移除能量并将其转化为热量。湍流加热远非均匀，通常集中在强烈耗散的小区域，其特征是突然的磁重联和更高的温度。这些区域之所以令人感兴趣，是因为它们可能以耀斑和高能粒子的形式产生非热发射，或者在原行星盘中产生热过程固体。此外，耗散的性质对磁旋转不稳定性（MRI）本身的基本动力学有影响：局部模拟表明湍流的大尺度性质（例如饱和度、应力-压力关系）取决于短耗散尺度。在本文中，我们进行了一个数值研究的MRI耗散和小规模的耗散结构，它采用这样做。我们使用Goddom程序RAMSES和不可分层的可压缩剪切盒。我们的模拟结果显示，耗散集中在强磁重联，显着拉长的方位角，高达一个规模的高度带。因此，耗散结构是中尺度的物体，并可能提供一个大尺度和小尺度相互作用的途径。我们继续展示这些带状物是如何随着时间的推移而演变的-形成、合并、分裂和消失。最后，我们揭示了MRI产生的大尺度密度波和小尺度结构之间的重要耦合，这可能会照亮MRI湍流中的应力-压力关系。
2018-03-23 astro-ph.HE
MHD in a cylindrical shearing box II: Intermittent Bursts and Substructures in MRI Turbulence
本文通过圆柱剪切盒MHD模拟发现，外icycle频率径向梯度导致MRI湍流中出现间歇性磁爆发和环隙亚结构，揭示了压缩放大与差速缠绕同等重要的新机制。
2023-11-03 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Dynamo effects in magnetorotational turbulence with finite thermal diffusivity
研究了在净磁通为零的情况下，磁旋转不稳定性驱动的磁流体湍流的饱和度。受Bodo，Cattaneo，Mignone和Rossi最近的一篇论文的启发，我们在这里集中讨论具有恒定热扩散率的非等温状态方程的情况。本文的主要目的是补充以前的结果与封闭参数的平均场发电机模型，并测试的假设，发电机的热传输模式的影响。本文对分层吸积盘的局部剪切盒模型进行了计算机模拟，并对辐射热输运进行了近似处理。我们研究了不同的（常数）热扩散率的影响，并应用不同的垂直边界条件。在不可穿透的垂直边界的情况下，我们确认的过渡，从主要是传导性的主要是对流的垂直传热低于临界热扩散系数。然而，当应用更自然的流出边界条件时，这种转变就不那么明显了。同样，在这种情况下，磁活动的增强也不那么明显。然而，通过湍流耗散加热决定了吸积盘的热力学结构，并明显影响相关发电机的性质。然而，这种影响可能被高估，在以前的工作中，和边界所发挥的作用，将需要仔细研究。
2013-04-09 astro-ph.HE
Universal small-scale structure in turbulence driven by magnetorotational instability
在许多天体物理等离子体中，湍流的间歇性小尺度结构控制着能量耗散，并且通常被认为对足够大的系统具有普适性。在这项工作中，我们认为，小尺度湍流在吸积盘是普遍的，在这个意义上，它是不敏感的磁旋转不稳定性（MRI）和背景剪切，因此，在小尺度上与标准的均匀磁流体动力学（MHD）湍流难以区分。本文研究了剪切盒中磁共振驱动的不可压缩MHD湍流的电流密度、涡量和能量耗散的不稳定性。我们发现，模拟表现出类似程度的不稳定性，在标准的MHD湍流。我们对间歇性耗散结构进行了统计分析，发现能量耗散集中在薄片状结构中，这种结构跨越了大范围的尺度，直到盒子的大小。我们发现，这些结构表现出惊人的相似的统计特性，在标准的MHD湍流。此外，这些结构以大约17.5度的特征倾斜在环形方向上取向，这意味着在该方向上的有效引导场。
2017-02-09 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Sensitivity of the Magnetorotational Instability to the shear parameter in stratified simulations
磁旋转不稳定性（MRI）是一种剪切不稳定性，因此它对剪切参数$q = - d\lnΩ/d\ln r $的敏感性是值得研究的。受天体物理盘的启发，大多数（但不是全部）以前的MRI研究都集中在$ q=1.5$的开普勒值上。使用模拟与8垂直密度尺度的高度，我们有助于解决分层数值模拟中不同的$q$的效果的研究的子集。我们讨论了为什么剪切盒不能很容易地用于研究$q>2$，因此专注于$q<2$。根据以前的模拟，这是未分层或分层与一个较小的垂直域，我们发现，$q$依赖性的应力分层的情况下是不是线性的，相反的Shakura-Sunyaev模型。我们发现，缩放同意\cite{1996MNRAS.281L..21A}谁发现它是成比例的剪切涡比$q/(2-q)$。然而，我们也发现，磁场和动能谱的形状是相对不敏感的$q$和麦克斯韦应力的比率，磁能比也几乎保持独立的$q$。这是一致的理论论证中，方位场的放大率线性依赖于$q$和湍流相关时间$τ$依赖于$q$成反比。因此，我们测量了湍流的相关时间，发现它确实与$q$成反比。
2014-10-30 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Global simulations of magnetorotational turbulence II: turbulent energetics
磁旋转湍流从重力中汲取能量，并最终通过耗散释放能量。然而，这种能量流的定量细节尚未评估全球磁盘模型。在这项工作中，我们研究了一个很好的解决，三维的，全球磁流体动力吸积盘模拟的能量评估磁，动能，和内能使用模拟数据的平均场方程。结果表明，湍流磁（动）能主要注入麦克斯韦（雷诺）应力和剪切（几乎开普勒）平均流之间的相关性，并通过耗散。这一发现不同于以往的工作，使用本地（剪切盒）模型，这表明，湍流动能主要来源于磁能量库。洛伦兹力提供了磁库和动能库之间的桥梁，将总湍流磁功率输入的约1/5转换为湍流动能。湍流能量（包括磁场和动能）主要由与湍流场相关的项驱动，仅受平均磁场的微小影响。平均场和湍流场之间的相互作用在感应方程中最为明显，平均径向磁场受到湍流电动势（EMF）的强烈影响。在准稳定的湍流状态下，大约2/3的坡印廷通量进入日冕，其余的在径向方向上传输磁能。与以往的研究相比，应力相关的部分坡印亭通量被发现占主导地位，这可能有重要的影响，“反射”模型的塞弗特星系日冕，通常调用的图片浮力上升的磁通量管通过平流。
2013-12-11 astro-ph.HE
Particle Diffusion and Acceleration in Magnetorotational Instability Turbulence
热吸积流包含无碰撞等离子体，被认为能够将粒子加速到非常高的能量，这是磁旋转不稳定性（MRI）产生的湍流的结果。我们进行非分层剪切盒模拟的MRI湍流在理想磁流体动力学（MHD），并注入高能（相对论）的测试粒子的模拟快照进行详细的调查粒子扩散和随机加速。我们考虑不同数量的净垂直磁通量，以实现不同的磁盘磁化水平在饱和状态下，具有足够高的分辨率来解决大多数粒子的回转半径（$R_g$）。具有大$R_g$的颗粒（$\gtrsim0.03$盘标度高度$H$）在方位角和极向方向上分别显示$\sim30$和$\sim5$乘以Bohm值的空间扩散系数。我们进一步测量粒子动量扩散系数$D(p)$应用福克-普朗克方程的粒子动量演化。对于这些粒子，来自湍流波动的贡献以$D(p)\propto p$为尺度，并且当$R_g\gtrsim0.1H$时剪切加速度接管，其特征在于$D(p)\propto p^3$。对于具有较小$R_g$（$\lesssim0.03H$）的粒子，其空间扩散系数大致与$\sim p^{-1}$成比例，并且在动量扩散中显示出$D(p)\propto p^2$比例的证据，但具有较大的不确定性。我们发现，多重效应有助于随机加速/减速，该过程也可能受到MRI湍流中的不稳定性的影响。我们还讨论了在超大质量黑洞周围的热吸积流加速PeV宇宙射线的潜力。
2021-06-06 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetorotational instability with smoothed particle hydrodynamics
我们提出了一个彻底的数值研究的MRI使用平滑粒子磁流体动力学方法（SPMHD）的几何密度平均力表达式（GDSPH）。我们进行剪切盒模拟不同的初始设置和广泛的分辨率和耗散参数。我们表明，第一次，MRI与持续的湍流可以成功地模拟SPH，结果与以前的工作与基于网格的代码一致。特别是，对于分层的盒子，我们的模拟再现了至少100个轨道的饱和湍流的MRI发电机的特征蝴蝶图。相反，传统的SPH模拟遭受失控的增长和发展非物理大方位场，类似于最近的研究结果与无网格方法。我们研究了MRI湍流对SPH中数值普朗特数的依赖性，重点是非分层，零净通量的情况。我们发现，湍流只能维持与普朗特数大于$\sim$ 2.5，类似的临界值的物理普朗特数在网格代码模拟。然而，不同于基于网格的代码，在SPH的数值普朗特数增加的分辨率，并为一个固定的普朗特数，所产生的磁能和应力是独立的分辨率。对所有模拟进行平均场分析，得到的输运系数表明在非分层情况下没有$α$效应，但在分层介质中有一个活跃的$αΩ$发电机和抗磁泵效应，这与以前的研究基本一致。在我们的模拟中没有明确的剪切电流发电机的迹象，这可能是负责一个较弱的平均场增长在高大，无分层，零净通量模拟。
2021-05-03 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic Flux Concentration and Zonal Flows in Magnetorotational Instability Turbulence
吸积盘可能被外部垂直磁通量穿过，这通过磁旋转不稳定性（MRI）增强了湍流水平。使用剪切盒模拟，我们发现，这样的外部磁通量也强烈增强带状径向密度变化的幅度称为纬向流。此外，我们报告说，垂直磁通量强烈集中向低密度区域的纬向流。平均垂直磁场在低密度区域可以增加一倍以上，在某些情况下，在高密度区域可以减少到几乎为零。在理想磁流体力学中，磁通量集中的尺度可以达到几个圆盘尺度高度。在具有强双极扩散的非理想MHD区域中，磁通量以一定的增强水平集中到薄的轴对称壳体中，其尺寸通常小于半个标度高度。我们表明，磁通量浓度密切相关的事实，即磁扩散率的MRI湍流是各向异性的。除了传统的欧姆样湍流电阻率，我们发现，有一个垂直速度和水平磁场波动，产生一个平均电场的作用，以反扩散的垂直磁通量之间的相关性。各向异性的湍流扩散率具有类似于霍尔效应的性质，并且可能对吸积盘中磁通量输运具有重要意义。磁通量集中的物理起源可能与通道流的发展有关，随后是磁重联，其作用是降低局部区域的质量-通量比。增强的纬向流与磁通量集中的关联可能导致原行星盘中的全球压力隆起，这有助于捕获尘埃颗粒并促进行星形成。
2014-09-08 astro-ph.EP astro-ph.HE
Local Study of Accretion Disks with a Strong Vertical Magnetic Field: Magnetorotational Instability and Disk Outflow
我们进行了三维垂直分层的局部剪切盒理想磁流体力学模拟的磁旋转不稳定性（MRI），其中包括一个净垂直磁通量，其特征在于β_0（气体压力比磁压力的净垂直场在中平面）。我们考虑了β_0 =10^2、10^3和10^4，在前两种情况下，最不稳定的线性MRI模式在模拟中得到了很好的解决。我们发现MRI湍流的行为强烈地依赖于β_0：角动量的径向输运随着净垂直通量的增加而增加，当β_0 =10^4时，α =0.08，当β_0 =100时，α>1.0，其中α是Shakura-Sunyaev参数。一个临界值位于β_0 =10^3：当β_0>10^3时，盘由气压主导的中平面和磁主导的日冕组成。湍流强度随净通量的增加而增加，角动量输运主要由湍流脉动控制。导致大尺度磁场周期性翻转的磁力发电机仍然存在，但随着净通量的增加，它变得更加分散。当beta_0<10^3时，整个磁盘变成磁主导的。湍流强度饱和，磁力发电机熄灭。随着净通量的增加，产生了更强的大尺度场，这主导了角动量输运。由于磁离心机制的作用，一个强的外流从盘中发射出来，质量通量随净垂直通量线性增加，并在β_0 =10^2时显示出饱和迹象。然而，外流不太可能与全球风直接相关：当β_0>10^3时，由于发电机活动，大尺度场没有永久的弯曲方向，而当β_0 <10^3时，来自盘顶和盘底的外流向相反的方向弯曲，与物理盘风几何形状不一致。需要进行全球模拟，以解决外…
2013-02-17 astro-ph.HE
MRI channel flows in vertically-stratified models of accretion disks
磁旋转不稳定性（MRI）在“非分层”剪切盒的模拟表现出强大的相干流，从而流体垂直分裂成反向运动的平面射流或“通道”。通道流对应于某些轴对称线性MRI模式，并且它们的优势来自于它们是弱磁场极限下MHD方程的近似非线性解这一显著事实。在本文中，我们表明，分析和一维数值模拟，这一属性也共享某些轴对称MRI模式在垂直分层剪切盒。这些通道流迅速捕获大量的磁能和动能，因此容易受到二次剪切不稳定性的影响。我们研究这些寄生虫在垂直分层的上下文中，并估计最大幅度的通道达到之前，他们被摧毁。这些估计表明，占主导地位的通道流通常会驱动磁盘的磁场的热强度。这些流动的突出性和它们的破坏对模拟提出了巨大的要求，但是在它们的初始阶段，通道也提供了对数字代码的有用检查。考虑到对分层MRI饱和度的兴趣日益增加，这些基准尤其有价值。最后，我们推测在原恒星和矮新星磁盘的“失控”通道流和爆发行为之间的潜在联系。
2010-04-01 astro-ph.HE
Convective Quenching of Field Reversals in Accretion Disc Dynamos
磁旋转湍流的垂直分层剪切盒模拟通常表现出所谓的准周期方位场反转的蝴蝶图。然而，在流体动力对流的存在下，场反转不再发生。相反，方位场强度准周期性地波动，同时保持相同的极性，其可以关于盘中平面对称或反对称。使用Hirose等人（2014）的模拟数据，我们证明了在存在对流的情况下缺乏场反转是由于磁场从更强磁化的上层到中平面的流体动力学混合，然后消除了从那里开始的场反转。我们的对流模拟在几个方面不同于其他人在以前的工作中报道的那些，其中较强的磁化可能起着比对流更重要的作用。
2017-01-27 astro-ph.HE
Rapid, strongly magnetized accretion in the zero-net-vertical-flux shearing box
本文发现零净垂直磁通剪切盒存在两种湍流态，重点研究由强方位角磁场触发的低β态，该态具有强磁化中平面和高效角动量传输，可解释观测与理论矛盾及天体状态转变。
2025-04-14 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Accretion disc dynamo activity in local simulations spanning weak-to-strong net vertical magnetic flux regimes
黑洞周围的强磁化吸积盘具有吸引人的特征，可以解释X射线双星行为的神秘方面。这些圆盘的结构和演化受类似发电机的机制控制，该机制将磁旋转不稳定性（MRI）释放的部分吸积功率引导到有序的环形磁场中。为了研究发电机活动，我们进行了三维，分层，等温，理想的磁流体动力学剪切盒模拟。自持环形磁场的强度取决于净垂直磁通量，我们在MRI线性不稳定的几乎整个范围内改变净垂直磁通量。我们量化的光盘结构和发电机性能的函数的初始比率的中平面气体压力垂直磁场压力，$β_0^{\rm mid} = p_{\rm gas} / p_B$。对于$10^5 \geq β_0^{\rm mid} \geq 10$，有效$α$粘度参数按幂律缩放。发电机活动持续到并包括$β_0^{\rm mid} = 10^2$，在这一点上，整个垂直柱的光盘是磁压为主。更强的磁场会导致高度不均匀的圆盘结构，并伴随着大的密度波动。我们表明，在我们的模拟中，湍流稳态$β^{\rm mid}$与Begelman等人（2015）描述环向场的产生和浮力逃逸的分析模型很好地匹配，而圆盘的垂直结构可以使用该模型广泛地再现。最后，我们讨论了我们的结果的影响，所观察到的X射线双星的属性。
2016-01-12 astro-ph.HE
Zero net flux MRI-turbulence in disks $-$ sustenance scheme and magnetic Prandtl number dependence
利用标准剪切盒模拟方法研究了净磁通量为零的开普勒圆盘中磁旋转不稳定性（MRI）驱动湍流对磁普朗特数（${\rm Pm}$）的维持和依赖性。我们专注于傅立叶空间中的湍流动力学，捕捉特定/非正则各向异性的非线性过程，由于磁盘流剪切。这是一种新型的非线性波矢方向上的模式重新分布--非线性横向叶栅--它是剪切流的普遍现象，与通常的正/逆叶栅有着根本的不同。零通量MRI没有指数增长模式，因此其增长是瞬态的或非模态的。湍流的自我维持是由MRI的瞬态增长和非线性横向级联的建设性合作。这种合作发生在小的波数（在流量大小尺度上），称为傅立叶空间中的重要区域。直接级联将模能量从重要区域转移到更大的波数。在大的${\rm Pm}$，横向级联优于直接级联，保持大部分模式的能量包含在小的波数。然而，随着${\rm Pm}$的减小，横向级联的作用减弱，并且不再能够对抗直接级联的作用，直接级联更有效地将能量传递到更高的波数，从而导致增加的电阻耗散。这破坏了维持方案，导致湍流衰减。因此，零净通量MRI湍流的衰减与减少${\rm Pm}$归因于拓扑重排的非线性过程时，直接级联开始占上风的横向级联。
2020-10-07 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
