Turbulent transport coefficients in galactic dynamo simulations using singular value decomposition
盘星系中的相干磁场被认为是由运行在其星际介质中的大尺度（或平均场）发电机产生的。平均磁场增长的一个关键驱动因素是湍流电动势（EMF），它代表了相关的小尺度（或波动）速度和磁场对平均场的影响。电动势通常表示为平均磁场及其导数的线性展开，其中发电机张量作为展开系数。在这里，我们采用奇异值分解（SVD）的方法来直接测量这些湍流输运系数的湍流星际介质，实现了大规模发电机的模拟。具体地说，奇异值分解是用来最小二乘拟合的时间序列数据的EMF与平均场及其衍生物，以确定这些系数。我们证明了从SVD系数重建的EMF的空间分布与直接从模拟中获得的空间分布相匹配。此外，作为一个直接的测试，我们使用的系数来模拟一个1-D平均场发电机模型，并发现发电机模型和直接模拟之间的平均磁场的演变的整体相似性。我们还比较了结果与使用简单回归和以前使用测试场（TF）方法获得的结果，找到合理的定性协议。总的来说，SVD方法提供了一个有效的后处理工具，以确定湍流输运系数的模拟。
2019-09-18 astro-ph.GA
Turbulent Magnetic Dynamos with Halo Lags, Winds, and Jets
本文基于经典方程提出了尺度不变/自相似星系磁发电机模型，并将其与最近观测到的边缘旋涡星系磁场进行了定性比较。我们根据轴对称发电机磁场的分离源、平流通量和亚尺度湍流对轴对称发电机磁场进行分类。在合理的物理条件下，我们忽略扩散项。存在由全局守恒量确定的时间依赖性。我们发现，磁标度的高度增加半径和风速。基于次尺度涡度增加的发电机作用，我们认为活动星系核外流是大尺度星系发电机的一个重要组成部分。这使我们{ \it predict}相干星系磁场的形态（即扩展的极化通量）和活动星系核的存在之间的相关性。
2021-07-22 astro-ph.GA
Understanding large-scale dynamos in unstratified rotating shear flows
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（理论科学国际中心，塔塔基础研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University（普林斯顿等离子体物理实验室，普林斯顿大学）；Department of Astrophysical Sciences, Princeton University（天体物理学系，普林斯顿大学）；Department of Physics and Astronomy, University of Rochester（物理与天文系，罗切斯特大学）
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
Saturation of the Turbulent Dynamo
宇宙中强磁场的起源可以通过小空间尺度上的湍流运动放大弱种子场，随后将磁能传输到更大尺度来解释。这个过程被称为湍流发电机，并取决于湍流的性质，即流体动力学雷诺数和气体的可压缩性，以及磁扩散率。虽然我们知道线性区域中的磁能的增长率，但饱和水平，即可以达到的磁能与湍流动能的比率，从分析计算中是未知的。在本文中，我们提出了第一个尺度相关的饱和度模型的基础上，有效的湍流电阻率，这是由湍流涡旋的周转时间尺度和磁能密度。与斯皮策值相比，磁电阻率增加，并且磁能谱处于其最大值的有效尺度向更大的空间尺度移动。当峰值达到由临界磁雷诺数确定的特征波数k* 时，该过程结束。发电机的饱和水平也取决于湍流的类型，并且对于大的和小的磁普朗特数Pm的限制而不同。利用我们的模型，我们发现对于Pm>>1，饱和度在43.8%和1.3%之间，对于Pm<<1，饱和度在2.43%和0.135%之间，其中较高的值表示不可压缩湍流，较低的值表示高度可压缩湍流。
2015-08-14 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Nonlinear turbulent dynamo during gravitational collapse
通过湍流发电机的放大，磁场可能对第一批恒星的形成具有潜在的重要性。为了研究原初气体引力坍缩过程中的发电机行为，我们将非线性湍流发电机理论扩展到包括引力压缩效应。发电机和压缩之间的相对重要性在收缩过程中变化，随着密度的增加，磁场的放大从发电机为主过渡到压缩为主。在磁场放大的非线性阶段，由于湍流与磁场的能量按尺度平均分配，理想磁流体动力学（MHD）湍流中磁场的重联扩散就显得尤为重要。它导致磁通冻结条件的破坏，并解释了（a）非线性发电机的小增长率，（b）在收缩过程中磁能对密度的弱依赖性，（c）饱和磁能，以及（d）磁场的大关联长度。由此产生的磁场结构和磁场强度与密度的比例关系与磁通冻结的预期完全不同。
2020-07-21 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Dynamo saturation in direct simulations of the multi-phase turbulent interstellar medium
通过偏振同步辐射在邻近盘星系中观测到的有序磁场可以用弥散星际介质（ISM）中的平均场发电机来解释。此外，垂直通量的初始条件可能会影响这个发电机通过发生的磁旋转不稳定性（MRI）。我们的目的是研究不同的初始场配置的平均场发电机的饱和状态的影响。这是由先前对不同超新星速率获得不同饱和行为的观察所激发的。我们进行直接数值模拟（DNS）的垂直分层，湍流星际介质的三维本地盒，采用水平剪切周期性边界条件。与我们以前的工作不同，我们还施加了垂直种子磁场。我们运行模拟，直到磁能的增长变得可以忽略不计。此外，我们进行模拟等效的1D发电机模型，与代数淬火机制的发电机系数。我们比较了DNS中磁场的饱和与平均场发电机的代数淬火。在直接模拟中发现的最终磁场强度与淬火的$αΩ$ ~发电机非常一致。对于代表银河系的超新星速率，通过银河风的场损失可能是饱和的原因。我们的结论是，在旋涡星系的湍流和规则的磁场的相对强度可能取决于星系的恒星形成率。我们建议，一个平均场的方法与代数淬火可以作为一个简单的亚网格尺度模型的星系演化模拟，包括一个规定的反馈磁场。
2015-10-14 astro-ph.GA
Not Much Helicity is Needed to Drive Large Scale Dynamos
了解湍流天体物理转子中大尺度磁场的原位放大一直是发电机理论的核心课题。当湍流速度是螺旋形时，大尺度发电机在超过湍流强迫尺度的尺度上大大放大场，但最小足够的分数动力学螺旋度f_h，C以前没有很好地量化。通过对简单螺旋发电机的直接数值模拟，我们发现f_h，C随强迫与大尺度波数之比k_F/k_min的增大而减小。从大尺度螺旋发电机必须克服大尺度上任何非螺旋场的反作用这一条件出发，我们提出了一个可以解释模拟结果的理论。当k_F/k_min>8时，f_h，C<3%，这意味着即使在中等尺度分离下，很小的螺旋度分数也会强烈影响磁谱。
2012-06-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic energy spectrum produced by turbulent dynamo: effect of time irreversibility
本文推广 Kazantsev-Kraichnan 模型研究时间不可逆湍流流动中的磁场演化，发现磁能谱幂律斜率更平缓且磁能增长更慢，并提出新 ansatz 描述有限时间谱形状。
2022-01-12 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Seed magnetic fields in turbulent small-scale dynamos
星系和星系团中的磁场被湍流发电机从非常弱的种子值放大到观测到的$μ{\rm G}$强度。种子磁场可以是原始的或天体物理的起源。在星系或星系团尺度上，种子场的强度和结构可能会有很大的不同，这取决于种子场的产生机制。种子场首先遇到小尺度发电机，因此我们研究了种子场的强度和结构对小尺度发电机作用的影响。利用数值模拟驱动湍流和考虑三种不同的种子场配置：1）均匀场，2）随机场的幂律谱，3）随机场的抛物线谱，我们表明，的强度和统计特性的发电机产生的磁场是独立的种子场的细节。我们证明，即使当小规模的发电机是不活跃的，小规模的磁场可以产生和放大线性由于大规模的领域的纠缠。在小尺度发电机作用的存在下，我们发现，任何记忆的种子场的非线性小尺度发电机产生的磁场丢失，因此，它是不可能追溯到种子场的信息从演化的磁场在湍流介质。
2020-09-25 astro-ph.CO astro-ph.GA
Calculating turbulent transport tensors by averaging single plume dynamics and application to dynamos
湍流中的输运系数由湍流波动之间的关联函数组成，并且需要有效的方法来计算它们。例如，在用于模拟恒星和星系的大尺度磁场增长的平均场发电机理论中，湍流电动势通常近似为湍流输运系数与平均磁场的连续高阶空间导数的一系列张量积。标准模型的一个成分是零阶项的运动学系数，即平均动力学伪张量$\bmα$，其将环向场转换为极向场。在这里，我们展示了一种有效的方法来计算这个量的旋转分层湍流，从而计算的预平均量的运动的一个单一的羽流，平均值，然后采取了不同方向的羽流的合奏。我们在最方便的框架中计算羽流动力学，然后转换回实验室框架并取平均值。我们简洁的位形空间计算给出了基本相同的结果，以前的方法。本申请阐明了什么是广泛适用的方法。
2018-11-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stellar Masses of Clumps in Gas-rich, Turbulent Disk Galaxies
本文利用HST/WFC 3对6个星系的观测数据，结合SED的恒星星族模型，计算了HST/WFC 3星系团的恒星质量。已经证明，H2O样品具有类似于$z\approx1.5$湍流、团状盘的性质。由于星系具有相同的性质，但观测偏差却显著不同，因此，对$z>1$的研究来说，100个样本团质量提供了一个有用的比较。使用STRO，我们可以更容易地探测静止帧近红外波长，也可以探测更精细的空间尺度。我们发现，类星体团簇的恒星质量是典型的$10^{7}-10^8 \mathrm{M}_\odot$。我们采用了一种技术，使非参数的校正，从附近的团块中去除光，并进行了本地确定的磁盘减法。盘减影过程为主导效应，可在0.3~dex水平改变团块质量。利用这些质量，我们调查的质量函数的团块在星系中。BMO恒星质量函数遵循斜率为$α\approx -1.4$的递减幂律，比在$z>1$透镜星系中观察到的略浅，但与之相似。我们比较的结果，模拟100块群众。星系团的质量和银河中心的位置更类似于模拟中的长寿团。类似于最近的恒星星族梯度上的CNOO结果，这些结果与不采用强“早期”辐射反馈处方的模拟一致。
2022-03-09 astro-ph.GA
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
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
Mean-field dynamo due to spatiotemporal fluctuations of the turbulent kinetic energy
本研究解析证明，即使动能螺旋度处处为零，介观尺度平均湍动能的时空涨落及其引发的扩散率涨落也能驱动大尺度磁场增长，并揭示了发电机运行的约束条件及湍流抗磁性的作用。
2023-09-11 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
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
The Turbulent Dynamo in Highly Compressible Supersonic Plasmas
这个动荡的发电机可以解释宇宙磁力的起源。虽然磁场的指数放大已经在不可压缩气体中进行了研究，但对高度可压缩的超音速等离子体（如星系的星际介质和早期宇宙）中的发电机作用知之甚少。在这里，我们进行了第一次定量比较的理论模型的发电机增长率和饱和度与三维磁流体动力学模拟超音速湍流与网格分辨率高达1024^3细胞。我们获得了数值收敛性，并发现发电机作用在低和高磁普朗特数Pm = nu/eta = 0.1-10（粘性耗散与磁耗散之比）时都发生，而这在超音速湍流中只在Pm >= 1时才出现。我们测量了临界磁雷诺数，Rm_crit = 129（+43，-31），表明可压缩发电机几乎与不可压缩气体一样有效。考虑到现在和早期宇宙的物理条件，我们得出结论，磁场需要考虑从早期到现在的宇宙年龄的结构形成过程中，因为它们抑制气体碎裂和驱动强大的喷流和外流，都极大地影响了恒星的初始质量函数。
2014-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Numerical modeling of laser-driven experiments aiming to demonstrate magnetic field amplification via turbulent dynamo
宇宙中充满了磁场，其强度从星系团细丝之间空隙中的毫微微高斯到黑洞和中子星中的几个太高斯不等。宇宙学磁场背后的标准模型是种子场通过湍流发电机对观测值的非线性放大。我们已经设想了旨在实验室中演示和研究湍流发电机机制的实验。在这里，我们描述了这些实验的设计，通过使用FLASH，一个高性能的辐射磁流体动力学代码，我们已经开发的模拟活动，并在阿贡国家实验室的米拉超级计算机上进行大规模的三维模拟。模拟结果表明，该实验平台可以达到湍流等离子体状态，并研究发电机放大。我们验证和比较我们的数值计算结果与一个小的子集的实验数据，使用合成诊断。
2017-02-09 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Saturation mechanism of the fluctuation dynamo in supersonic turbulent plasmas
几个天体中的磁场通过发电机机制被放大和维持，发电机机制是将湍流动能转换为磁能。一个能将磁场放大到$<$尺度（湍流的驱动尺度）的发电机被称为波动发电机。研究了超声速湍流等离子体中涨落发电机的特性，这对激光等离子体湍流的ISM、结构形成和实验室实验都有重要意义。利用模拟，我们探讨了亚音速和超音速湍流的指数增长和饱和状态的波动发电机的属性。我们证实，波动发电机效率降低压缩性。我们表明，波动发电机产生的磁场是空间间歇性和水平的不稳定性下降的领域饱和。我们发现一个更强的反作用的磁场上的速度为亚音速的情况下相比，超音速的情况下。局部地，我们发现，涡量和速度，速度和磁场，电流密度和磁场之间的对齐的水平在饱和阶段相比，指数增长阶段的亚音速的情况下，增强，但只有电流密度和磁场对齐的超音速的情况下，增强。我们表明，磁场放大（由于较弱的拉伸的场线）和扩散减少时，该领域的饱和，但相对于放大的扩散增强。在亚音速紊流中，这种情况在整个体积内发生，但在超音速情况下，这种情况主要发生在强场区。这导致波动发电机的饱和。总之，磁场的放大和扩散都受到影响，因此饱和不需要它们中的任何一个的剧烈变化。[摘要删节]
2021-09-24 astro-ph.GA physics.plasm-ph
A Subgrid Turbulent Mean Field Dynamo Model for Cosmological Galaxy Formation Simulations
直到最近，由于数值技术的进步和对星系形成物理的更好理解，磁场才被纳入星系形成的宇宙学模拟中。在本文中，我们发展了一个新的亚格子模型的湍流发电机，发生在超声速星际介质中的恒星形成星系。它是基于一个平均场的方法，计算在未解决的尺度（所谓的亚网格尺度）的湍流动能，并修改感应方程占相应的$α$发电机。我们的次网格模型依赖于一个自由参数，淬火参数，控制饱和的次网格发电机。多亏了这种平均场方法，我们现在可以模拟湍流恒星形成星系内部磁场的快速放大，而不依赖于人为的强初始场，也不使用昂贵的高分辨率模拟。我们发现，在我们的放大银河系类星系的磁场的演化是一致的一个简单的图片，其中该领域是均分与恒星形成盘内的湍流动能，与磁场强度约10 $μ$ G在低红移，而在同一时间，强大的星系外流填充晕稍弱的磁场，其强度（10 nG）是一致的，将是理想的MHD稀释因子。我们的结果与最近的理论和数值预测吻合得很好。我们还比较了我们的模拟与法拉第深度观测在低和高红移，看到整体良好的协议与一些警告。我们的模型自然地预测了在高红移时（星系中约100 $μ$ G，晕中约1 $μ$ G）的更强磁场，但由于早期较强的湍流，也会产生更强的去极化效应。
2022-05-12 astro-ph.GA
Turbulent dynamos in a collapsing cloud
International Centre for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research（国际理论科学中心，塔塔基础研究所）；Inter-University Centre for Astronomy and Astrophysics（大学间天体物理与天文中心）；Department of Physics, Ashoka University（阿肖卡大学物理系）；School of Mathematics, Statistics and Physics, Newcastle University（纽卡斯尔大学数学、统计与物理学院）
研究坍缩云中小型和大型发电机的行为，揭示磁场在坍缩背景下的超指数增长机制，挑战传统发电机理论。
2026-01-22 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Turbulent dynamo in a conducting fluid and partially ionized gas
根据Kazantsev理论，考虑了磁场的微观扩散和湍流扩散，统一处理了湍流发电机的运动学和非线性阶段，并研究了磁普朗特数Pm和电离分数范围内的发电机过程.我们发现一个惊人的相似性之间的依赖关系的发电机的行为在导电流体中的Pm和R（电离分数的函数）在部分电离的气体。在弱电离介质中，运动学阶段在很大程度上扩展，不仅包括指数增长，但一个新的政权的发电机的特点是线性增长的磁场强度，并由此产生的磁能是远远高于所携带的粘性尺度涡的动能。与运动学阶段不同，随后的非线性阶段不受微观扩散过程的影响，并且具有作为湍流能量传递率的恒定分数$3/38$的增长率的磁能的普遍线性时间增长，与早期的数值结果显示出良好的一致性。应用分析的第一个恒星和星系，我们发现，运动阶段是能够产生的场强只有一个数量级小于最终的饱和值。但是大规模磁场的产生只能由相对低效的非线性阶段来解释，并且需要比自由落体时间更长的时间。这表明，磁场在第一批恒星的形成过程中可能没有发挥重要的动力学作用。
2016-10-20 astro-ph.GA physics.plasm-ph
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
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，$…
2022-04-07 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
DYNAMO-HST Survey: Clumps in Nearby Massive Turbulent Disks and the Effects of Clump Clustering on Kiloparsec Scale Measurements of Clumps
我们目前$\sim$ 100 pc分辨率哈勃太空望远镜H $α$图像的10个星系的动态新组装的大质量物体（MATRIO）调查的低$z$湍流盘星系，并使用这些进行第一次详细的系统研究的分辨率和团块集群的观察团块在湍流盘的影响。在这个{ \em HST}样本中，我们测量到的星团直径范围为$d_{clump} \sim 100-800$ ~pc，单个星团的恒星形成率高达$\sim5$ ~M $_{\odot}$ ~yr $^{-1}$。团簇具有非常高的SFR表面密度，$Σ_{SFR}\sim 15$ ~M $_{\odot}$ ~yr $^{-1}$ ~kpc $^{-2}$，$\sim100\times$高于附近螺旋的H{ \sc ii}区域。事实上，SFR表面密度提供了一个大质量恒星形成团块和局部恒星形成区域之间的简单分界线，其中大质量恒星形成团块具有$Σ_{SFR}> 0.5$ ~M $_{\odot}$ ~yr $^{-1}$ ~kpc $^{-2}$。当退化到与$z\sim 1-3$巡天中观测到的星系相匹配时，H2O星系在形态和测量到的团块性质上与高$z$宇宙中观测到的团块星系相似。模拟高红移图中的发射峰通常对应于全分辨率图像中的多个团块。这种聚类的团块系统地增加了表观尺寸和SFR的团块在1~kpc分辨率的地图，并减少了测量的SFR的表面密度的团块多达20 $\times$的一…
2016-08-29 astro-ph.GA
Lagrangian statistics of a shock-driven turbulent dynamo in decaying turbulence
在超新星激波和星系团中观测到$n$ G级的小尺度波动磁场，其放大可能是由比尔曼电池机制引起的。然而，如果没有湍流发电机，这些磁场就不能进一步放大，湍流发电机通过拉伸-扭曲-折叠（STF）机制产生磁能。因此，我们在这里提出了新的三维磁流体动力学（MHD）模拟的激光驱动的冲击波传播到分层，多相介质，调查后冲击波湍流磁场放大通过湍流发电机。这里使用的配置目前正在国家点火装置（NIF）的激波风洞中进行测试。为了探索激波后湍流区的统计特性，我们使用$384 \times 512 \times 384$示踪剂通过拉格朗日框架跟踪其演变，从而提供了一个高保真的分析冲击介质。我们的模拟表明，磁场的增长，伴随着近萨夫曼动能衰减（$E_{\textrm{kin}} \propto t^{-1.15})$没有湍流驱动，表现出略有不同的特性相比，周期性的盒子模拟。在其演化过程中似乎不存在明显的阶段，因为在湍流衰减过程中观察到磁场放大的激波通道和时间非常短（湍流翻转时间的$\sim\!0.3$）。然而，增长率仍然是一致的压缩（无卷曲）湍流驱动亚音速，可压缩湍流的预期。唯象理解的磁场和速度场的动态也阐明通过拉格朗日频谱，这是一致的预期的惯性范围缩放的欧拉-拉格朗日桥。
2023-02-16 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Towards convergence of turbulent dynamo amplification in cosmological simulations of galaxies
我们对磁场在现今星系中达到其观测强度的过程的理解仍然不完整。其中一个被提倡的解决方案是湍流发电机机制，其将弱磁场种子快速放大到${\sim}μ$ G的量级。然而，模拟湍流发电机是一个非常具有挑战性的计算任务，由于苛刻的空间尺度和所需的数值方法的复杂性。特别是，湍流速度和磁场是非常敏感的模拟域的空间离散化。为了探索在宇宙学模拟中，精化方案如何影响星系湍流和磁场放大，我们比较了两种精化策略。传统的准拉格朗日自适应网格细化方法集中在密集区域的空间分辨率，和一个新的细化方法，解决了整个星系的高分辨率准均匀网格。我们的新的细化策略产生更快的磁能放大比准拉格朗日方法，这也是显着大于绝热压缩的估计，表明额外的放大是通过拉伸的磁场线。此外，与我们的新的改进的磁能增长因子尺度与分辨率以下$\propto \Dres^{-1/2}$，在更好地与小尺度湍流箱模拟。最后，我们发现的证据表明，在我们模拟的星系中的大多数磁放大发生在温暖的阶段，其星际介质，这有一个更好的发展湍流场与我们的新的细化策略。
2022-04-21 astro-ph.CO astro-ph.GA
Magnetohydrodynamic turbulence and turbulent dynamo in a partially ionized plasma
天体物理学中的流体是湍流的、磁化的，并且经常是部分电离的。作为天体物理学湍流的一个例子，星际湍流在非常大的空间尺度范围内延伸，并参与发生在不同尺度范围内的关键天体物理过程。本世纪以来，人们对磁流体动力学（MHD）湍流的认识取得了重大进展，这使我们能够更好地描述磁化和部分电离等离子体中的湍流。事实上，MHD湍流物理的现代革命性图景促进了各个理论领域的发展，包括耗散MHD湍流的阻尼过程和产生MHD湍流的发电机过程，这些理论领域具有许多重要的天体物理意义。本文回顾了我们最近的一些重要的理论工作，以证明部分电离气体中MHD湍流和湍流发电机性质之间的相互联系。本文还简要介绍了修正后的基本过程对宇宙早期和现代磁重联、宇宙线散射、磁场放大等突出天体物理问题的影响。
2018-10-18 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
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
Cosmic ray diffusion in magnetic fields amplified by nonlinear turbulent dynamo
本研究探索无强平均磁场时非线性湍流发电机放大磁涨落中的宇宙线扩散，通过测试粒子模拟识别三种扩散机制，发现扩散空间不均匀性及不同能量CR的扩散行为差异，强调磁场不均匀性的基础作用。
2024-09-12 astro-ph.GA astro-ph.HE
Laboratory evidence of dynamo amplification of magnetic fields in a turbulent plasma
磁场在宇宙中无处不在。通过漫射同步辐射和法拉第旋转测量，河外盘、晕和星系团一直显示出从几个nG到几十个$μ$ G的磁场强度。这些场的能量密度通常与它们所嵌入的等离子体的流体运动的能量密度相当，使得磁场在发光物质的动力学中扮演重要角色。这些强磁场起源的标准理论模型是通过湍流发电机将微小的种子场放大到与当前观测一致的水平。在这里，我们证明，使用激光产生的碰撞等离子体流，湍流确实能够迅速放大种子场近均分的湍流流体运动。这些结果支持了这样一种观点，即湍流发电机是一种可行的机制，负责观测到的当今宇宙的磁化。
2017-02-09 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Non-Gaussian Magnetic Structures in the Small-Scale Turbulent Dynamo
Indian Institute of Science, Education and Research, Tirupati（印度科学教育研究学院蒂鲁帕提分校）；Australian National University（澳大利亚国立大学）
研究小尺度湍流发电机在增长阶段和饱和阶段的磁场形态，发现磁场偏离高斯随机场，饱和阶段磁场结构更复杂非高斯。
2026-02-09 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.plasm-ph
On the small scale turbulent dynamo in the intracluster medium: A comparison to dynamo theory
我们目前的非辐射，宇宙学的放大模拟星系团的形成与磁场和（各向异性）的热传导的一个非常巨大的星系团的质量在红移为零，对应于$M_\mathrm{vir} \sim 2 \times 10^{15} M_{\odot}$。我们在三个分辨率水平（1X，10 X，25 X）上运行集群，从$2 \times 10^8M_{\odot}$的有效质量分辨率开始，随后增加粒子数量以达到$4 \times 10^6M_{\odot}$。在模拟中获得的最大空间分辨率是有限的重力软化达到$ε=1.0$ kpc的最高分辨率水平，允许解决非常精细的结构的层次组装。所有的模拟，已经进行了SPMHD代码小工具-3与大量更新的SPMHD处方。主要研究团簇内介质（ICM）中的磁场放大。结果表明，在重联扩散极限下，主要的放大机制是小尺度湍流发电机。在我们的两个最高分辨率的模型中，我们开始解决由这个过程驱动的磁场放大，我们明确量化这与磁功率谱和磁张力，限制与发电机理论一致的磁场线的弯曲。此外，我们调查的$\nabla \cdot \mathbf{B}=0$约束在我们的模拟，并表明，我们实现了可比的结果，以国家的最先进的AMR或移动网格技术，如恩佐和Arepo的代码中使用。我们的研究结果表明，第一次在一个完整的宇宙学模拟的星系团，发电机的行动可以解决的框架内的现代拉格朗日磁流体动力学（MHD）方法，一项研究，目前在文献中…
2021-08-17 astro-ph.CO astro-ph.GA
A comparison of the turbulent dynamo in weakly-collisional and collisional plasmas: from subsonic to supersonic turbulence
本文通过HPIC与MHD模拟对比研究了弱碰撞等离子体在亚声速和超声速湍流中的湍流发电机特性，发现其与碰撞等离子体中的MHD发电机物理性质相似，并推断出有效雷诺数。
2025-02-07 astro-ph.CO astro-ph.GA physics.plasm-ph
MHD Turbulence, Turbulent Dynamo and Applications
MHD湍流在许多空间物理和天体物理环境中很常见。本文首先讨论了不可压MHD湍流的性质。导电性良好的流体在一个称为小规模发电机的过程中放大了初始磁场。低于动能和磁能的均分尺度，谱是陡峭的（Kolmogorov-5/3），并以临界平衡的强MHD湍流为代表。本文介绍了普遍非线性小尺度发电机的基本原理和MHD湍流的惯性范围。在高分辨率直接数值模拟中，我们测量了小尺度发电机$C_E=0.05$、Kolmogorov常数$C_K=4.2$和各向异性常数$C_A=0.63$对MHD湍流的效率。我们还讨论了所谓的不平衡或交叉螺旋MHD湍流，这是相关的许多对象，最突出的是在太阳风。结果表明，不可压缩MHD湍流的性质与可压缩湍流中MHD叶栅Alfvénic部分的性质相似。级联的其他部分根据其自身的动态发展。慢模式由Alfvénic模式级联，而快模式创建独立的级联。我们发现，不同的方式分解成Alfvén，慢，快模式的可压缩MHD湍流提供一致的结果，不仅是有用的理解湍流级联，但其与快速粒子的相互作用。
2014-06-04 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
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
