Model of deep zonal flows in giant planets
本文提出一种由热风方程控制的机制,解释巨行星表面纬向流如何随深度逐渐衰减,并通过三维数值模拟证明纬向急流可深入行星内部,与Juno引力数据相符。
2025-10-14 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Influence of Rotation on Fingering Convection in Planetary Cores
Newcastle University(纽卡斯尔大学)
通过旋转球壳流体动力学模拟,研究稳定热梯度与不稳定成分梯度下的指状对流,发现指状结构随分层强度与旋转速率比变化,并驱动多种大尺度流动,可能影响行星磁场。
2026-06-08 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Diffusion-Free Dynamics in Rotating Spherical Shell Convection Driven By Internal Heating and Cooling
University of Exeter(埃克塞特大学);University of Edinburgh(爱丁堡大学);Durham University(杜伦大学)
研究通过内部加热和冷却驱动旋转球壳对流,发现部分对流性质无扩散依赖,为恒星和巨行星对流模型发展提供新思路。
2025-12-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Validity of Sound-Proof Approaches in Rapidly-Rotating Compressible Convection: Marginal Stability vs. Turbulence
滞弹性近似的有效性最近在低普朗特数流体中的快速旋转可压缩对流区域中受到质疑(Calkins等人,2015)。鉴于广泛的使用和高计算效率的隔音方法在这个天体物理学相关的制度,本文澄清了安全应用的条件。另一种伪不可压缩近似的潜力进行了研究,这在相反的滞弹性近似是从来没有预锻打破预测的边缘稳定点。然而,它的准确性,降低接近的参数对应的滞弹性方法,这是发生时,该域的声音穿越时间超过旋转时间尺度,即旋转马赫数大于1。关于超临界的情况下,这是自然的特点是较小的旋转马赫数,我们发现,滞弹性近似不显示非物理行为。随着瑞利数的增加,线性化滞弹性方程计算的增长率收敛于相应的完全可压缩值。同样,我们的完全非线性湍流模拟,与我们的完全可压缩和滞弹性模型,并在一个高度超临界,旋转,可压缩,低普朗特数制度进行了良好的协议。然而,该非线性测试示例仅针对0.14的中等低对流Rossby数。
2017-09-21 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Classical 1/3 Nusselt number scaling in highly turbulent compressible convection
本文通过MacCormack-TVD有限差分方法模拟可压缩湍流对流,首次将二维模拟推至Ra=10^16,发现体流绝热温降导致Re∝Ra^{1/2},并验证了经典1/3努塞尔数标度律。
2025-02-03 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Fingering convection in the stably-stratified layers of planetary cores
稳定分层层可能存在于许多行星的导电流体层的顶部,因为温度梯度是局部亚绝热的,或者因为化学元素的分离保持了稳定的成分梯度。在这里,我们研究的双扩散过程发生在这样一个稳定的层,考虑的情况下,水星的核心温度梯度是稳定的,但组成梯度是不稳定的超过800公里厚的层。分子扩散系数的巨大差异导致浮力驱动的不稳定性的发展,这种不稳定性驱动称为指状对流的径向流动。我们使用流体动力学模拟在旋转球壳和不同的旋转速率和分层强度的指状对流模型。对于小的瑞利数(即弱的背景温度和成分梯度),指状对流的形式与旋转轴对齐,并与层厚度的方位角大小相媲美的柱状流。对于较大的瑞利数,流动保持柱状结构,但方位角的大小急剧减少,导致薄片状结构,在椭圆方向上被拉长。当热分层增加时,方位角长度减小,严格遵循线性非旋转平面理论(Stern,1960)预期的标度律。我们发现,径向流动始终保持层流与当地雷诺数的1-10阶。赤道对称的纬向气流是由于轴对称成分的纬向变化而形成的。在最大瑞利数处,纬向速度超过非轴对称速度。我们讨论行星磁场的合理影响。
2022-10-21 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Effect of shear and magnetic field on the heat-transfer efficiency of convection in rotating spherical shells
本文研究了球壳中旋转热对流。我们的分析基础上的一组约450直接数值模拟的(磁)流体动力学方程下的Boussinesq近似。埃克曼数的范围为$10^{-3}$至$10^{-5}$。对流的超临界性在某些模型中达到约1000。四组模拟被认为是:非磁模拟和发电机模拟与自由滑动或无滑移流动边界条件。具有自由滑移边界的非磁性设置产生最强的带状流。无滑移流动边界条件的非磁性模拟和自由滑移边界的自洽发电机都大大减少了区域流动。剪切的抑制导致传热效率的显著增加,在某些情况下增加3倍。只要对流受到旋转的显著影响,就会发生这种效率提高。在较高的对流驱动下,传热效率趋向于经典的非旋转Rayleigh-Bénard系统。对外边界热流纬向分布的分析表明,在赤道地区,切变对抑制热传递是最有效的。此外,我们探讨了磁场对对流的{ \em非纬向}流分量的影响。为此,我们比较了无滑非磁性的情况下,无滑发电机模拟的传热效率。我们发现,在$E=10^{-5}$磁场显着影响对流和传热效率的最大增益约30\%(与非磁性的情况下相比),获得了约3的Elsasser数。我们的分析促使我们推测,对流在极地地区的发电机在$E=10^{-5}$可能是在一个“磁旋”制度。
2015-11-17 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Remarks on compressible convection in Super-Earths
本文针对超级地球耗散数大的可压缩对流问题,采用Murnaghan物态方程分析绝热剖面与临界稳定性,并通过无限普朗特数下的力学方程模拟,揭示超级地球对流动力学特性。
2023-03-27 astro-ph.EP
The role of zonal flows in disc gravito-turbulence
这里介绍的工作集中在吸积盘中的重力湍流的自我维持的纬向流的作用。在完全可压缩的非线性条件下,使用定制的伪谱代码进行数值分析。所讨论的光盘,这是使用剪切片近似建模,被假定为自引力,粘性,和热扩散;一个恒定的冷却时间尺度也被认为是。纬向流被发现出现在重力湍流的发病,他们仍然密切相关的湍流状态。一个循环的纬向流的形成和破坏的建立,介导的慢模式不稳定性(这使得纬向流的增长)和非轴对称不稳定性(这破坏了纬向流),这被发现重复多次。事实上,正是非轴对称不稳定性的破坏作用形成了新的前缘剪切波和后缘剪切波,使能量能够从背景流中提取出来,并确保重力湍流区的自我维持。
2018-04-14 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Geomagnetic dipole stability and zonal flows controlled by mantle heat flux heterogeneities
本文通过不同参数的地球发电机模拟,研究核幔边界热流非均质性对地磁偶极稳定性与纬向流的影响,提出无量纲数 $M_{Za}^*$ 可表征偶极占比与反转倾向,并表明地幔对流驱动的热流变化能解释古地磁反转频率的显著波动。
2024-12-19 astro-ph.EP physics.geo-ph
The compressional beta effect: a source of zonal winds in planets?
像木星和土星这样的巨大行星在其表面上具有强烈的纬向风模式。虽然在过去的几十年里,已经提出了几种不同的机制来驱动这些喷流,但纬向风的起源仍然不清楚。在这里,我们探讨了行星旋转与对流流体的压缩和膨胀的相互作用可以通过压缩莱茵型机制驱动多个深纬向喷流的可能性,正如Ingersoll和Pollard(1982)最初提出的那样。在一定的限制,这种深层机制被证明是数学上类似于经典的莱茵河机制可能在云的水平。预计射流将出现在压缩莱茵长度$l_R = (2 Ω\langle H_ρ^{-1} \rangle v_{jet}^{-1} )^{-1/2}$上,其中$Ω$是角速度,$\langle H_ρ^{-1} \rangle$是平均逆密度标度高度,$v_{jet}$是典型的射流速度。使用滞弹性近似的二维数值模拟表明,这种机制鲁棒地产生预测宽度的射流,并且它通常在比$O(l_R)$更深的系统中占主导地位。观察到潜在的涡阶梯自发形成,通常伴随着不稳定分层浮力阶梯。该机制仅在大旋转速率下运行,超过了球壳深对流三维模拟中通常达到的旋转速率。应用于木星和土星,压缩莱茵尺度合理地符合现有的观测。有趣的是,即使是弱的垂直密度变化,如那些在地球核心可以引起大量的射流,导致根本不同的流动结构比预测的Boussinesq模型通常在这种情况下使用。
2014-04-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Convection with Misaligned Gravity and Rotation: Simulations and Rotating Mixing Length Theory
我们提出了数值模拟,使用两个互补的设置,旋转Boussinesq热对流在三维笛卡尔几何与错位的重力和旋转矢量。这个模型代表了恒星或行星对流带中非极地纬度的一个小区域。我们研究了旋转对不同纬度对流整体性质的影响,重点是确定热通量和温度梯度之间的关系。我们表明,我们的结果可以解释使用旋转混合长度理论(RMLT)。RMLT的最简单版本(由于史蒂文森)考虑了传输最多热量的单一模式。这在解释我们的结果方面相当有效,但在中纬度地区,与这些预测有系统的偏离(温度梯度高达约$30\%$)。我们开发了一个更详细的治疗RMLT,包括多种模式提供的运输,我们表明,这占了大部分的系统差异。我们还表明,对流产生的纬向流和纬向环流产生在我们的模拟,它们的属性强烈依赖于盒子的尺寸。这些气流也影响热输送,在某些纬度上导致偏离RMLT。然而,我们发现的理论预测的多模式理论的中层温度梯度,均方根(RMS)的垂直速度,RMS温度波动,以及在不同纬度的热传输的空间谱,都是在合理的好协议与我们的数值结果时,纬向流很小。
2020-02-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
A high performance and portable all-Mach regime flow solver code with well-balanced gravity. Application to compressible convection
对流是天体物理学中的一个重要物理过程,在Boussinesq和/或滞弹性近似下,对流的数值模拟得到了很好的研究。然而,当可压缩效应在高马赫流状态下很重要时,例如在恒星大气中或存在吸积激波时,这些方法达到了它们的极限。为了解决这些问题,我们提出了一个新的高性能和便携式的代码,称为"ARK"的数值求解器非常适合分层可压缩纳维-斯托克斯方程。我们采用有限体积方法,具有机器精度的质量守恒,横向动量和总能量。基于应用数学中以前的工作,我们建议使用低马赫数修正,以实现在低马赫和高马赫状态下的良好精度。重力源项采用平衡格式离散化,以达到机器精密静液平衡。这个新的求解器是使用Kokkos库实现的,以实现跨不同架构(例如多核,众核和GP-GPU)的高性能计算和可移植性。我们表明,低马赫数修正允许达到低马赫制度比一个标准的戈多诺夫型的方法有更好的精度。结合良好的平衡特性和低马赫数修正,使我们能够在临界瑞利数附近触发瑞利-贝纳德对流模式。此外,我们提出了三维湍流Rayleigh-Bénard对流与低扩散使用低马赫校正导致更高的动能功率谱。这些结果对天体物理中高马赫数和高度分层对流问题的进一步研究具有重要意义。
2019-03-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.comp-ph
Subcritical convection of liquid metals in a rotating sphere using a quasi-geostrophic model
我们研究了在一个快速旋转的球体与内部加热的普朗特数有关的液态金属($Pr\in[10^{-2},10^{-1}]$)的值的非线性对流。我们使用的数值模型的基础上准地转近似,其中沿旋转轴的轴向涡度的变化被忽略,而温度场是完全三维的。我们确定了两个独立的分支对流接近发病:(一)一个众所周知的弱分支的埃克曼数大于$10^{-6}$,这是连续的发病(超临界分叉),由热Rossby波,及(ii)一个新的强分支在较低的埃克曼数,这是不连续的发病。对于$10^{-8}$量级的Ekman数,强分支成为次临界分支。在强分支上,流动的雷诺数大于$10^3$,并且发展出具有多个射流的强带状流动,甚至接近于对流的非线性开始。我们发现,次临界放大减少普朗特数。对于中间埃克曼数,两个分支可以共存,导致滞后($Ek=10^{-6}$、$Pr=10^{-2}$)。在对流开始附近观察到$Ek=10^{-7}$和$Pr=10^{-1}$的非线性振荡。
2016-11-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Weakly nonlinear analysis of the onset of convection in rotating spherical shells
本文通过弱非线性分析研究旋转球壳中对流的发生机制,推导出Stuart-Landau振幅方程和降阶模型,仅需求解线性二维问题即可判定超临界或亚临界Hopf分岔,并揭示内部加热下亚临界对流的发生及强纬向流的决定性作用。
2024-08-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Quasi-geostrophic convection-driven dynamos in a thick spherical shell
本研究采用混合QG-3D数值方案构建厚球壳对流驱动准地转发电机模型,发现多极弱场准周期振荡发电机,指出其缺少螺旋度与α效应难以产生类地强偶极场,且模型更适用于恒星发电机研究,低埃克曼数下可通过差异化网格提升效率。
2023-12-15 astro-ph.EP physics.geo-ph
Jets and large-scale vortices in rotating Rayleigh-Bénard convection
湍流、快速旋转对流最显著的动力学特征之一是由小尺度对流产生的雷诺应力驱动的大尺度相干结构的形成。在球面几何中,这种结构由沿着旋转轴不变的强烈带状流组成。在平面几何中,长寿命的深度不变结构也会在大尺度上形成,但是,在没有水平各向异性的情况下,它们由增长到域尺寸的涡旋组成。在这项工作中,通过引入水平各向异性的平面旋转对流的数值模式,通过采用不等的水平箱尺寸(即$L_x \le L_y$,其中$xy$平面是水平的),我们调查是否单向流动和大尺度涡可以共存。我们发现,只有一个小的各向异性程度所需的持续大规模的旋涡为主的动态,以持续的单向流平行于最短的水平方向为主的动态带来的过渡。当各向异性足够大时,单向流由多个射流组成,在小于全局粘性时间尺度的时间尺度上产生,因此意味着高档能量传递不会自发地馈送系统中的最大可用模式。也就是说,多个喷射流在更长的时间尺度上合并。在喷流的侧面有系统地形成了大小与$L_x$相当的大尺度涡旋,这些涡旋可以是持续的,也可以是间歇性的。这表明,大尺度涡,无论是否与射流共存,是一个强大的动力学特征的平面旋转对流。
2017-11-08 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Deep rotating convection generates the polar hexagon on Saturn
许多地面和太空观测已经确定,土星在其北极附近有一个持续的六边形流动模式。虽然观测结果很多,但其形成背后的物理学仍然不确定。虽然几个现象学模型已经能够再现这一特征,但缺乏一个自洽的模型来描述土星高度湍流的大气中如何形成如此大规模的多边形喷流。在这里,我们提出了一个三维全非线性滞弹性模拟的气体巨行星外层的深层热对流,自发地产生巨大的极地气旋,激烈的交替纬向流,和高纬度向东射流与多边形图案。模拟分析表明,自组织湍流的形式的巨大的漩涡捏向东的射流,形成多边形的形状。我们认为,一个类似的机制是负责激励土星的六边形流动模式。
2020-07-17 astro-ph.EP physics.comp-ph physics.flu-dyn
Depth Dependent Dynamics Explain the Equatorial Jet Difference Between Jupiter and Saturn
本研究利用三维深对流模拟证明大气深度决定木星与土星赤道纬向喷流的强度和纬度宽度,从而解释二者观测差异。
2024-10-29 astro-ph.EP
Local three-dimensional simulations of the convective overstability in protoplanetary discs
本文通过SNOOPY代码对原行星盘中的对流过稳定性进行局部三维模拟,发现不同雷诺数和佩克莱特数下涡旋与纬向流的多样演化,表明固体聚集机制复杂。
2025-08-05 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Zonal flow evolution and overstability in accretion discs
本文提出了一个线性分析计算的稳定性和演化的可压缩,粘性自引力(SG)开普勒盘水平热扩散和恒定的冷却时标时,轴对称结构是存在的,并自由地发展。该计算使用剪切板模型,并在一定的冷却时间范围内进行。虽然无粘性问题的解决方案,没有冷却或扩散是众所周知的,它是不平凡的预测所造成的影响,引入冷却和小的扩散系数,这项工作的重点是扰动的中间波长,因此代表了扩展的经典稳定性分析的热和粘性不稳定性。对于密度波模式的分析,可以简化通过一个定期的扰动分析,考虑剪切和热扩散系数,系统被发现是过稳定的中间和长波长的Toomre参数$Q \lesssim 2$的值;非SG的不稳定性也检测到波长$\gtrsim 18H$,其中$H$是光盘尺度高度,只要$γ\lesssim 1.305$。然而,由于熵和位涡慢模态的理想增长率是退化的,因此规则扰动分析不成立。为了理解它们的演化,解析推导了轴对称结构在这两个量中的振幅方程,并得到了它们的不稳定区域。的不稳定性出现通过增加绝热指数和普朗特数的值,而它是淬火的有效冷却。
2016-12-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Semi-convection in rotating spherical shells: flows, layers and dynamos
CNRS(法国国家科学研究中心)
通过直接数值模拟研究旋转球壳几何中的半对流不稳定性,发现流动自组织形成密度阶梯和分层结构,并产生类行星的偶极磁场。
2026-07-24 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Atmospheric Circulation of Brown Dwarfs and Jupiter and Saturn-like Planets: Zonal Jets, Long-term Variability, and QBO-type Oscillations
棕矮星和直接成像的巨行星显示了活跃的大气环流的重要证据,这导致了云结构中的大规模斑块,随着时间的推移显着演变,如红外线曲线和多普勒地图所证明的那样。这些观测结果提出了关于环流的基本性质,其时间变化以及与木星和土星环流的整体关系的关键问题。木星和土星本身在云层中也有许多强劲的纬向(东西向)喷流;此外,这两颗行星都有长期的平流层振荡,包括纬向风和温度的扰动,这些扰动会在约4年(木星)和约15年(土星)的时间尺度上向下传播。这些振荡被称为木星的准四年振荡(QQO)和土星的半年振荡(SAO),被认为类似于地球上的准两年振荡(QBO),这是由对流层赤道波向上传播驱动的。为了研究这些问题,我们在这里提出了全球性的,三维的,高分辨率的数值模拟流在分层的大气-覆盖对流内部-褐矮星和类星体行星。内部对流的影响参数化诱导小尺度,随机变化的扰动的辐射对流边界的基础上的模型。在模拟中,对流扰动产生大气波和湍流,与旋转相互作用,产生大量的纬向喷流。此外,赤道平流层呈现出堆叠的东向和西向喷流,随着时间的推移向下迁移,正是发生在地球的QBO,木星的QQO,土星的SAO。这是第一次在巨行星的3D数值模拟中展示类似QBO的现象。
2019-08-02 astro-ph.EP
Symmetric instability in a Boussinesq fluid on a rotating planet
本研究对旋转行星上的Boussinesq流进行线性稳定性分析,划分三类不稳定性,发现$b_z \sin{θ_0}<0$是充分必要条件,并指出现有海洋模型对流方案需修订才能用于冰卫星海洋。
2025-07-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn
Regime transitions of dynamos driven by fingering double-diffusive convection
Southern University of Science and Technology(南方科技大学)
本研究通过三维数值模拟揭示,热稳定分层的增强会引发指状双扩散对流发电机从强场偶极子主导状态向弱场状态的突然转变,最终导致发电机停止,为行星磁演化提供新见解。
2026-09-22 astro-ph.EP
Unveiling stellar (and planetary) internal dynamics with the fully compressible MUSIC code
本文回顾了完全可压缩MUSIC代码在恒星内部动力学模拟中的最新应用,重点涵盖对流、对流边界混合及波动,旨在改进一维恒星演化模型。
2025-10-27 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR