Azimuthal dynamo wave in spherical shell convection
我们报告的方位角发电机波的低阶（m=1）模式中的直接数值模拟（DNS）的湍流对流球壳的发现。这样的波预测的平均场发电机理论，并已获得以前的平均场模型。测光和多普勒成像的观测结果都揭示了几颗快速旋转恒星的斑点持续漂移，但是，尽管方位角发电机波被认为是造成这种行为的可能机制，但它被认为是不可能的，因为缺乏来自DNS的这种波的实际证据。在我们的DNS中的大规模磁场，这是由于自洽发电机作用，是由一个逆行的m=1模式为主。它的图案速度几乎与纬度无关，并且不反映任何深度的差异旋转速度。磁性m=1结构的极值与温度m=2结构的最大值相吻合。这些结果提供了直接支持所观察到的漂移是由于方位角发电机波。
2013-09-26 astro-ph.SR
Spherical-shell boundaries for two-dimensional compressible convection in a star
背景：我们研究二维球壳对可压缩对流的影响。从一维恒星演化代码的密度和温度的现实配置文件被用来产生一个年轻的低质量恒星代表的大恒星对流区的模型。方法：采用多维星隐式程序（MUSIC）对可压缩对流进行流体力学隐式大涡模拟。由于MUSIC被设计为使用从一维恒星演化计算产生的真实恒星模型，因此MUSIC模拟能够无缝地模拟整个恒星。在具有不同径向范围的二维球壳中进行了数百次对流周转时间的模拟，从而收集了收敛良好的统计数据。结果：我们评估了对流周转时间、对流速度和过冲层的基本统计。选择这些量是因为它们与一维恒星演化计算相关，因此我们的结果集中在321 D链路上。在辐射区和对流区之间的边界的球壳中的包含物减小了对流区中的对流速度的幅度。在球壳的近地表层的列入可以增加对流速度的幅度，虽然由深对流建立的速度分布的径向结构是不变的。包括近地层的影响取决于近地层中小规模对流的速度和结构。对流区中较大的对流速度导致过冲层宽度的相应增加和对流周转时间的减少。这些结果为对流的非局部方面提供了支持。
2016-06-23 astro-ph.SR physics.comp-ph
Helicity inversion in spherical convection as a means for equatorward dynamo wave propagation
我们在这里讨论一个纯粹的流体动力学机制来反转的动力学螺旋度，这起着关键作用，在大多数模型的发电机行动旋转对流的周期性磁性的传播方向确定的符号。这种传播为发电机模型提供了一个突出而令人困惑的约束。在太阳中，活动区域首先出现在中纬度地区，然后在一个周期的过程中出现在赤道附近，但大多数以前的全球规模发电机模拟都显示出向极传播（如果它们是周期性的话）。在这里，我们强调一些模拟中，发电机波的传播方向主要是改变了整个大部分的内部的动力学螺旋度的反转，而不是由差异旋转的变化。这往往发生在具有低普朗特数和内部加热的情况下，在局部密度梯度相对较小的区域中。我们分析了这种逆温是如何产生的，并将其与对流的情况进行了对比，对流要么是高度柱状的（即，在这两种情况下，动力螺旋度的典型廓线（北半球大部分地区为负值）反而占主导地位。
2015-12-03 astro-ph.SR
Three dimensional non-linear evolution of a magnetic flux tube in a spherical shell: Influence of turbulent convection and associated mean flows
本文首次对旋转湍流对流区中磁通量管的非线性动力学演化进行了球形几何的三维磁流体动力学研究。我们研究了从模拟的对流区的底部上升到我们的计算域的顶部，形成双极补丁的磁性环形磁通绳的数字上升。我们比较的动力学行为的通量管在一个完全对流的壳具有自洽产生的平均流量，如对流环流和差分旋转，在一个安静的等熵区进行参考计算。我们发现，两个参数的影响，在其上升通过对流区的管：初始场强和扭曲量，从而证实了以前的研究结果在笛卡尔几何。此外，当管相对于均分场足够强时，它几乎与初始纬度（低或高）无关地径向上升。相比之下，较弱的领域的情况下，下降流和上升流控制上升速度的特定区域的绳子，原则上可以有利于通过欧米茄环结构的磁通量的出现。对于后者的情况下，我们专注于双极补丁的方向，并发现，足够的拱形结构能够创建一个主要的东西方向的双极区域。子午流似乎决定了磁绳的轨迹时，磁场强度已显着降低附近的域的顶部。最后，差异旋转使得在低纬度引入的管更难以到达域的顶部。
2009-07-13 astro-ph.SR
Coronal ejections from convective spherical shell dynamos
我们提出了一个三维模型的旋转对流结合一个简化的日冕球坐标系。对流区的运动产生了一个大规模的磁场，偶尔会喷射到上面的外层。我们的模型日冕是近似等温的，但它包括由于重力的密度分层。
2011-11-07 astro-ph.SR
Convection-driven spherical shell dynamos at varying Prandtl numbers
背景：恒星对流区的特点是在低普朗特数下剧烈的高雷诺数湍流。目的：我们研究发电机和差分旋转制度在不同水平的粘性，热，磁扩散。研究方法：我们进行三维模拟分层完全可压缩磁流体动力学对流旋转球楔在不同的热和磁普朗特数（从0.25到2和5，分别）。结果如下：我们发现，高的热扩散率的旋转配置文件显示出单调增加的角速度从对流区的底部到顶部，从两极向赤道。对于足够快的旋转，一个负的径向剪切区域的发展在中纬度地区的热扩散率降低。这与发电机模式从向极传播活动带向赤道传播的变化相吻合。此外，循环的解决方案消失在最高的磁雷诺数。在本文研究的范围内（$5-151$），总磁能随磁雷诺数的增加而增加，但平均磁场的能量在高磁雷诺数时趋于平稳。在最高磁雷诺数下，差旋受磁场的影响很大，几乎消失。在我们的一些最动荡的情况下，我们发现，两个制度是可能的，其中之一的差分旋转是强大的，平均磁场相对较弱，反之亦然。结论：我们的模拟表明，一个强大的非线性反馈的磁场的差分旋转，导致定性的变化，在大规模发电机的行为在高磁雷诺数。此外，我们没有发现迹象的模拟接近渐近制度的结果将是独立的扩散系数。
2016-09-12 astro-ph.SR
Weakly non-Boussinesq convection in a gaseous spherical shell
我们通过使用Boussinesq形式[1]运行3D直接数值模拟来研究与球壳中弱可压缩对流相关的动力学。受天体物理学问题的启发，我们假设存在有限绝热温度梯度$\nabla T_{\rm{ad}}$，并对温度采用混合边界条件，内边界固定通量，外边界固定温度。这种设置本质上比具有固定温度边界条件的平行板之间的液体中的瑞利-贝纳德对流的更标准的情况更不对称。有大量的不对称的条件下，可以导致对流的性质发生巨大的变化，我们证明，这是在这里的情况。流动可以成为压力-而不是浮力-主导，导致异常的热传输的上升流。与直觉相反，背景温度梯度$\nabla\bar{T}$可以形成亚绝热层（其中$\boldsymbol{g}\cdot\nabla\bar{T}<\boldsymbol{g}\cdot\nabla T_{\rm{ad}}$，其中$\boldsymbol{g}$是重力），尽管对流在穿过壳层的每个点处都保持活跃。这表明了高度的非局部性。
2017-07-07 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Latitudinal regionalization of rotating spherical shell convection
对流现象普遍存在于旋转的地球物理和天体物理体上和内部。以前的球壳研究表明，极地地区的对流动力学与低纬度的赤道动力学有很大的不同。然而，大多数球壳对流标度律使用全球平均的量，消除了物理学中的纬度差异。在这里，我们通过分析球壳模拟的区域化对流传热特性来量化这些纬度差异。这是通过测量两个特定的，纬度上分开的，部分的壳，极地和赤道地区，$Nu_p$和$Nu_e$，分别本地努塞尔数。在旋转的球壳中，对流首先在切向圆柱体的外部发生，使得赤道热传递在小的和中等的超临界状态下占主导地位。我们发现，浮力强迫，参数化的瑞利数$Ra$，必须超过临界赤道强迫的一个因素的$\approx 20$触发极内的切圆柱对流。一旦触发，$Nu_p$随$Ra$增加的速度远快于$Nu_e$。在足够高的$Ra$时，赤道和极地的热通量趋于相当。极地对流数据和笛卡尔数值模拟之间的比较揭示了两种几何形状之间的定量协议的传热和平均体温度梯度。这一协议表明，球壳旋转对流动力学是通过球形模拟和通过减少蒸发途径，无论是理论，数值或实验。
2022-11-30 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
A Compressible High-Order Unstructured Spectral Difference Code for Stratified Convection in Rotating Spherical Shells
我们提出了一个新的和强大的可压缩高阶非结构谱差分（CHORUS）代码模拟热对流和相关的流体动力学在恒星和行星的内部。计算几何被视为旋转球壳充满分层气体。在非结构网格上，采用一种稳健高效的高阶谱差分方法（SDM）对流体动力学方程进行离散。谱差分法的计算模板是紧凑的，有利于并行处理。CHORUS在本文中报告的所有测试用例中都展示了出色的并行性能，在NCAR的黄石高性能计算集群上扩展到12，000个核心。通过定义木星和太阳中的全球对流的两个基准案例来验证代码。CHORUS的计算结果与ASH程序的计算结果进行了比较，两者吻合良好，CHORUS程序为模拟诸如多尺度太阳对流、核心对流以及快速旋转扁圆恒星中的对流等各种现象创造了新的机会。
2015-03-06 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
Modeling the Near-Surface Shear Layer: Diffusion Schemes Studied With CSS
当我们接近太阳对流模拟，试图模拟小规模的颗粒和超颗粒，甚至更大规模的对流内的近地表剪切层（NSSL）的相互作用，边界条件的处理和最小化的次网格尺度扩散过程变得越来越重要。在这里，我们评估的动态变化和能量通量平衡的流动建立在旋转球壳段，捕获大部分的NSSL与弯曲球形段（CSS）代码使用两种不同的扩散计划。CSS代码是一个新的大规模并行建模工具，能够模拟三维可压缩MHD对流与现实的太阳分层旋转球壳段。
2010-12-21 astro-ph.SR
On the relevance of bubbles and potential flows for stellar convection
最近Pasetto等人提出了一种新的方法来推导适合于恒星演化程序实现的对流理论。他们的方法基于球形气泡在动态不稳定区域中的势流内移动的简单物理图像，以及气泡动力学的详细计算。基于这种方法，作者导出了一个新的对流理论，它被称为是参数自由，非局部和时间相关的。这是一个非常强有力的主张，因为这样的理论是恒星物理学的圣杯。不幸的是，我们在推导中发现了几个明显的问题，这些问题最终使他们的理论不适用于任何物理体系。此外，我们表明，框架的球形气泡在潜在的流量是无法捕捉恒星对流的本质，即使方程推导正确。
2016-01-21 astro-ph.SR
Plasmoid ejections driven by dynamo action underneath a spherical surface
本文提出了一个统一的太阳对流层和高层大气的三维球几何模型。在这个模型中，磁场，产生的螺旋强制发电机在对流区，出现没有磁浮力的援助。我们使用一个等温状态方程与重力和密度分层。经常性的等离子体团喷射，通过外层大气上升，观察。此外，小尺度场的电流螺旋度向外传输，形成磁云等大结构。
2010-11-18 astro-ph.SR
Thermal convection in rotating spherical shells: temperature-dependent internal heat generation using the example of triple-$α$ burning in neutron stars
我们提出了一个广泛的研究Boussinesq热对流，包括温度依赖的内部热源，基于数值三维模拟。温度依赖性模拟三重$α$核反应和流体几何形状是一个旋转的球壳。这些都是对流吸积中子星海洋研究的关键成分。定义了衡量核加热相关性的无量纲参数${\rm Ra}_n$。我们探讨了流动特性如何随着${\rm Ra}_n$的增加而变化，并给出了天体物理学的动机。对流的发生进行了研究，相对于这个参数和周期性，准周期性，混沌流与相干结构，充分湍流表现为${\rm Ra}_n$是不同的。几个政权的转变，并与以前的结果进行比较，差异加热对流。最后，我们探索（试探性地）我们的结果的潜在适用性的热核爆发在吸积中子星海洋的演化。
2018-12-14 astro-ph.HE astro-ph.SR nlin.PS
Effects of shell thickness on cross-helicity generation in convection-driven spherical dynamos
研究了旋转球壳中螺旋度和交叉螺旋度电动发电机效应对混沌热对流自持磁场产生的相对重要性，并将其作为球壳厚度的函数。发电机解决方案的两个不同的分支被发现共存于直接数值模拟壳的纵横比在0.25和0.6之间的平均场偶极制度和波动偶极制度。的特性表征共存的发电机吸引子进行了比较和对比，包括磁场和旋转热对流的时间行为和空间结构的差异。螺旋度$α$ -效应和交叉螺旋度$γ$ -效应被认为是在波动偶极发电机制度，其中它们的比例不随壳厚度显着变化的强度相媲美。与此相反，在平均场偶极发电机制度的螺旋$α$ -效果占主导地位的约两个数量级，并成为更强的壳厚度减小。
2020-12-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Transition from axi- to nonaxisymmetric dynamo modes in spherical convection models of solar-like stars
我们试图了解从近轴对称配置在太阳旋转速率的非轴对称配置的快速旋转，使用三维数值模拟湍流对流，并考虑1和30倍的太阳值之间的旋转速率的过渡。我们发现从轴向非轴对称的解决方案在1.8倍左右的太阳自转速率的过渡。这一转变与从反太阳到类太阳的自转变化相一致，即赤道速度更快，两极速度更慢。在类太阳旋转制度，场配置由一个轴对称振荡场伴随着一个m=1的方位角模式（两个活跃的周期），这也表明时间的变化。在慢（快）旋转，轴对称（非轴对称）模式占主导地位。轴对称模式产生具有极性反转的纬向发电机波，而非轴对称模式通常在旋转参考系中表现出漂移，并且活跃的电磁波的强度在不同半球之间随时间周期性地变化。大多数得到的发电机解决方案表现出周期性的变化，无论是由纬度或方位角发电机波。在活动周期图中，由旋转周期归一化的周期长度形成两个不同的种群，作为旋转速率或磁活动水平的函数。缓慢旋转的轴对称种群接近于观测中所谓的不活跃分支，而快速旋转的模型接近于超活跃分支，随着旋转速率的增加，周期与旋转频率之比下降。我们可以成功地再现从轴向非轴对称发电机解决方案的高旋转速率的过渡，但需要高分辨率的模拟，以限制旋转淬火对流的旋转速率超过20倍的太阳值的影响。
2018-05-07 astro-ph.SR
On the dynamics of overshooting convection in spherical shells: Effect of density stratification and rotation
湍流运动从对流区向邻近稳定分层区的过冲在恒星内部动力学中起着重要作用，因为这一过程可能导致化学物质的混合，并有助于角动量和磁场的传输。我们提出了一系列完全非线性，三维（3D）滞弹性模拟的过冲对流的球壳，其重点是依赖的过冲动力学的密度分层和旋转，这两个关键成分的恒星，但还没有系统地研究一起通过全球模拟。我们表明，过冲长度尺度不是简单的对流区域中的密度分层的单调函数，而是，它取决于在两个区域中的密度分层的比率。此外，我们发现，过冲长度尺度随着Rossby数Ro的减小而减小，并且尺度为Ro $^{0.23}$，同时它还取决于纬度，具有较高的Rossby情况，导致较弱的纬度变化。我们研究了由于旋转产生的平均流，发现它们延伸到对流区的底部以外的稳定区域。我们的研究结果可能会提供一个更好的理解恒星对流和辐射区域之间的动力学相互作用，并激励未来的研究，特别是有关太阳速跃层及其重叠的影响与过冲区。
2021-10-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Three-dimensional slow Rossby waves in rotating spherical density stratified convection
本文发展了旋转球形密度分层对流中的三维Rossby慢波理论。Rossby波的频率远小于旋转频率，由基于发展的对流的平衡的非轴对称不稳定性激发。这些波与惯性波和密度分层对流相互作用。对于极低马赫数的流动，采用滞弹性近似来考虑密度分层。我们研究长期行星Rossby波的周期大于两年。我们认为，这些波与南方涛动和厄尔尼诺有关。厄尔尼诺现象是热带太平洋上的风和海面温度的不规则周期性变化，而南方涛动是热带东太平洋和西太平洋之间的表面气压的振荡。南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI）是南方涛动的一个指数。发展的理论适用于解释的观察周期的SOI。这项研究表明，理论预测和观察之间的良好协议。
2017-07-20 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Compressible Hydrodynamic Mean-Field Equations in Spherical Geometry and their Application to Turbulent Stellar Convection Data
我们提出了一个统计分析的湍流对流在我们的雷诺平均的Navier Stokes（RANS）框架内的球形几何，我们来自第一性原理。本文报道的主要结果包括：（1）一组广泛的可压缩多组分流体动力学平均场方程，以及（2）从各种模拟模型计算的相应平均场数据。还提供了一些补充的尺度分析数据。所提供的模拟数据包括：（1）23太阳质量超新星前身星氧燃烧时的壳层对流，（2）5太阳质量红巨星的包层对流，（3）氦闪光时的壳层对流，（4）1.25太阳质量恒星的氢注入闪光。这些模拟在Meakin [2006]、Meakin和Arnett [2007 a，b，2010]、Arnett等人[2009，2010]、Viallet等人[2011，2013 a，b]和Mocak等人[2009，2011]中已有部分描述。新的数据也包括在本文件中，几个新的域和分辨率配置，以及一些变化的物理模型，如对流区深度和驱动源项。这项工作的长期目标是帮助开发更复杂的模型来处理流体动力学现象（例如，湍流对流）在恒星演化领域中的应用，提供了三维模拟数据和由一维恒星演化代码模拟的平均场之间的直接联系。因此，这些数据可以用来测试以前提出的湍流模型在文献中发现，有时用于恒星建模。这些数据还可以用来测试模型构建的基本物理原理，并激发用于1D进化代码的新处方。
2014-01-21 astro-ph.SR 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
Latitudinal dependence of heat transport in turbulent geostrophic convection
针对快速旋转行星和恒星热输运显式纬度依赖标度关系未明确的问题，本文采用带倾斜轴的旋转瑞利-贝纳德对流（RRBC）框架模拟地转区不同纬度对流，推导并验证了对流长度尺度和努塞尔数的纬度标度关系，为行星恒星内部区域热输运提供定量框架并建立球对称对流统一解释。
2025-08-24 astro-ph.EP astro-ph.SR
Scaling regimes in spherical shell rotating convection
旋转球壳中的瑞利-贝纳德对流可以被认为是许多天体物理和地球物理流体流动的简化模拟。在这里，我们使用三维直接数值模拟来研究这个物理过程。我们构建了一个数据集的200多个数值模型，涵盖了广泛的参数范围与Ekman数跨越$3\times 10^{-7} \leq E \leq 10^{-1}$，瑞利数范围内$10^3 < Ra < 2\times 10^{10}$和普朗特数单位。我们调查的标度行为的本地（长度尺度，边界层）和全球（努塞尔和雷诺数）的属性在各种物理制度从开始的旋转对流弱旋转对流。接近临界时，对流由粘性、科里奥利力和浮力之间的三重力平衡主导。对于更大的超临界，我们的数值数据的一个子集的渐近无扩散性标度旋转对流$Nu\sim Ra^{3/2}E^{2}$在一个狭窄的分数的参数空间界定的$6\,Ra_c \leq Ra \leq 0.4\,E^{-8/5}$。使用分解成散装和边界层的贡献的粘性耗散率，我们建立了一个理论缩放的流速，准确地描述了数值数据。在快速旋转的湍流对流中，流体体积由科里奥利、惯性和浮力之间的三重力平衡控制，而耗散的其余部分可以归因于埃克曼层中的粘性摩擦。超过$Ra \simeq E^{-8/5}$，对流流动的旋转约束逐渐失去，流动特性发生变化，以匹配旋转主导和非旋转对流之间的状态变化。量$Ra E^{12/7}$为分离旋转和非旋转对流提供了精确的过渡参数。
2016-10-06 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convection and dynamo action in B stars
主序星的大质量恒星拥有对流核心，可能具有强大的发电机作用。为了评估核心对流在这些恒星内的磁场建设中的作用，我们采用了3-D滞弹性球谐（ASH）代码模型湍流动力学在10个太阳质量的主序星（MS）的B型恒星旋转4倍的太阳率。我们发现，强（900 kG）的磁场出现在湍流的核心和渗透到稳定分层的辐射区。这些领域表现出复杂的，随时间变化的行为，包括磁极性的逆转和移动之间的半球占主导地位的总磁能。
2010-11-03 astro-ph.SR
Turbulent Rayleigh-Bénard convection in spherical shells
我们数值模拟了非旋转球壳中的Boussinesq对流，流体的单位普朗特数和瑞利数高达$10^9$。在这种几何形状中，重力加速度的曲率和径向变化产生不对称的边界层。一个系统的参数研究的各种半径比（从$η=r_i/r_o=0.2$到$η=0.95$）和重力剖面，使我们能够探索这些参数的不对称性的依赖。我们发现，平均羽间距之间的球形内，外边界表面是可比的。对平均羽流分离的估计使我们能够准确地预测这里探讨的各种球壳构型的边界层不对称性。的平均温度和水平速度剖面是在良好的协议与经典的普朗特-Blasius层流边界层剖面，提供的边界层进行了分析，在一个动态的框架，波动的本地和瞬时边界层厚度。努塞尔数和雷诺数的标度特性进行了研究，通过使用数值模型与$η=0.6$和重力成比例的$1/r^2$的热耗散率和粘性耗散率的体积和边界层的贡献分离。我们发现我们的球形模型与Grossmann \& Lohse（2000）理论的预测是一致的，并且$Nu(Ra)$和$Re(Ra)$标度与平面层结果是很好的一致。
2015-07-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Prandtl-Number Effects in High-Rayleigh-Number Spherical Convection
对流是能量和角动量在太阳外部传输的主要机制。由此产生的翻转运动也是太阳磁场的主要能量来源。因此，一个精确的太阳发电机模型需要对对流运动进行完整的描述，但对这些运动的了解仍然很少。研究恒星对流数值仍然具有挑战性，它发生在一个参数范围内，是极端的计算标准。对流区的流体性质部分由普朗特数$\mathrm{Pr}=ν/κ$表征，其中$ν$是运动粘度，$κ$是热扩散;在恒星中，$\mathrm{Pr}$非常低，为$\mathrm{Pr}\approx 10^{-7}$。由于大多数数值研究仅限于使用$\mathrm{Pr}\approx1$，因此$\mathrm{Pr}$对发电机中心对流运动的影响还不清楚。我们系统地改变$\mathrm{Pr}$和热力强迫的程度，其特征在于通过瑞利数，探讨其对对流动力学的影响。对于足够大的热驱动，模拟达到所谓的对流自由落体状态，扩散不再发挥重要作用的内部动态。较低的$\mathrm{Pr}$的模拟产生更快的对流和更广泛的范围内的尺度等效水平的热力强迫。速度谱分布的特征对$\mathrm{Pr}$的变化基本上不敏感。重要的是，我们发现，$\mathrm{Pr}$起着关键作用，在确定何时达到自由落体制度，通过控制热边界层的厚度。
2018-03-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Ejections of magnetic structures above a spherical wedge driven by a convective dynamo with differential rotation
我们结合对流驱动发电机在一个球壳与一个近等温的密度分层冷却层，模仿恒星日冕的某些方面，研究磁场结构的出现和喷射。该方法是早期模型的扩展，其中采用强制湍流模拟来产生磁场。使用的球楔由对流区和扩展到球体半径$\approx1.5$倍的冕区组成。楔形包含球体方位角范围的四分之一和纬度的$150\degr$。磁场是由表面下的对流引起的湍流运动自洽地产生的。发现磁场出现在表面，并被喷射到域的日冕部分。这些喷射发生在不规则的时间间隔，比以前的工作弱。我们尝试性地将这些事件与太阳上的日冕物质抛射联系起来，尽管我们的太阳大气模型相当简单。
2012-09-30 astro-ph.SR
Influence of Boundary Conditions and Heating Modes on the Onset of Columnar Convection in Rotating Spherical Shells
本研究通过谱方法分析旋转球壳热对流起始，发现边界条件与加热模式显著影响临界瑞利数等参数，内部加热提高阈值并改变临界柱位置，对行星恒星内部建模有重要指导意义。
2025-09-08 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Large-scale vortices and zonal flows in spherical rotating convection
出于对恒星和行星内部动力学的理解，我们对旋转球中的Boussinesq对流进行了一组直接数值模拟。该域是内部加热与固定的温度和无应力的边界条件，但固定的热流和无滑移的边界条件也被简要考虑。我们特别关注的大尺度相干结构和平均纬向流，可以在系统中发展。在普朗特数的团结，作为热强迫（测量的瑞利数）增加以上的对流发病的值，我们发现一个松弛振荡制度，其次是地转湍流制度。除此之外，我们第一次看到在旋转轴上形成的大尺度相干涡旋的存在。所有制度的边界都很好地描述了对流Rossby数$Ro_c$的临界值，从振荡到地转湍流的过渡，然后到大尺度涡旋制度的值分别为$Ro_c\approx 0.2$和$Ro_c\approx 1.5$。纬向流由对流Rossby数控制，并在流从地转湍流区向大尺度涡旋区过渡时改变其方向。虽然非纬向流速和热传递可以用地转湍流区的惯性尺度来描述，但大尺度涡的形成似乎会降低非纬向流速和对流热传递的效率。
2021-03-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Global non-spherical oscillations in 3-D $4π$ simulations of the H-ingestion flash
我们进行了3-D模拟富含质子的物质夹带到\czw丰富的氦壳闪光对流和随后的H-摄入闪光发生在后AGB明星樱井的对象。瞬态性质和异常丰度特征的观测可用于验证我们的方法和假设，目的是将它们应用于未来的极低金属丰度恒星。我们包括来自H燃烧的核能反馈，并覆盖壳层的全部$4π$几何形状。$768^3$和$1536^3$网格上的测试结果彼此一致，并已被$1500\mathrm{min}$和$1200\mathrm{min}$所遵循。经过一个$850\mathrm{min}$长的静止夹带阶段的模拟进入一个全球性的非球形振荡，启动和维持的个别点火事件的富氢流体口袋。快速的圆周流在对极碰撞，并导致下一个氢过剩口袋的形成和局部点火。这个循环重复了十几次，而它的振幅却在下降。在全球振荡期间，卷吸率暂时增加一个因子$\approx 100$。夹带熵抑制了上层的对流运动，直到夹带氢的燃烧建立了一个单独的对流区。低分辨率的运行暗示了另一场全球振荡的可能性，也许会更加激烈。H燃烧对流区的位置与1-D模型一致，其中混合效率被校准以再现光变曲线。模拟已经在NCSA的NSF Blue Waters超级计算机上进行。
2014-09-25 astro-ph.SR
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
The onset of low Prandtl number thermal convection in thin spherical shells
本研究考虑了旋转球壳中无应力Boussinesq热对流的发生，球壳的长宽比为$η=r_i/r_o=0.9$（$r_i$和$r_o$分别为内半径和外半径），普朗特数为${\rm Pr} \in[10^{-4},10^{-1}]$，泰勒数为${\rm Ta}\in[10^{4},10^{12}]$。我们特别感兴趣的对流单体模式的发展形式，并在其时间尺度，因为这可能有观测结果。对于固定的${\rm Ta}<10^{9}$和将${\rm Pr}$从0.1降低到$10^{-4}$，发现了螺旋柱状（SC）和赤道附着（EA）模式之间的过渡，以及EA和赤道反对称或对称极（AP/SP）弱多细胞模式之间的过渡，后者在很低的${\rm Pr}$时是优选的。令人惊讶的是，对于${\rm Ta}>3\times 10^{9}$，单细胞极性模式在中等${\rm Pr}\sim10^{-2}$下也变得优选，因为EA和AP/SP之间以及AP/SP和SC模式之间的两个新的过渡曲线在三点分叉处产生。依赖于${\rm Pr}$和${\rm Ta}$的过渡进行了研究，以估计模式的类型，和它们的临界参数，在不同的恒星制度的首选。
2018-05-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Solar cycle properties described by simple convection-driven dynamos
旋转球壳中对流产生磁场的简单模型，其性质与在太阳上观察到的相似。这些模型中的Boussinesq近似假设妨碍了对太阳活动周期的真实描述，但是通过物理上激发的对差分旋转边界条件的改变，发电机波向高纬度的传播至少在低纬度可以被逆转。
2011-12-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convective dynamos in spherical wedge geometry
采用自洽对流发电机方法对楔形球壳进行了数值模拟。差旋是由对流与自转的相互作用产生的。只有当自转足够快时，才能得到向赤道方向的加速度和发电机作用。沿圆柱的角速度趋于恒定。振荡的大尺度领域被发现向极方向迁移。与以前的模拟在全球壳和笛卡尔域的比较。
2010-06-23 astro-ph.SR
Differential rotation in convecting spherical shells with non-uniform viscosity and entropy diffusivity
本研究使用三维伪谱模拟代码，探讨径向非均匀黏度与熵扩散率对旋转球壳中较差自转和对流流型的影响，发现该非均匀性可通过热风平衡机制维持接近真实太阳的较差自转剖面，对类太阳周期性偶极发电机具有重要意义。
2023-11-21 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Strong nonlocality variations in a spherical mean-field dynamo
为了解释太阳和其他天体的大尺度磁场，通常应用平均场发电机理论，其中求解平均磁场的平均方程。然而，当湍流涡旋的尺度变得与平均磁场的变化尺度相当时，标准方法就失效了。因此，显示尖锐磁场结构的模型被认为是不可靠的。我们的目的是寻找新的影响，发生时，我们放松了标准方法的限制，这变得特别重要，在底部的对流区的湍流漩涡的大小是可比的对流区本身的深度。我们近似的基本积分微分方程的偏微分方程对应的反应扩散型方程的平均电动势，使一种方法，是非本地的空间和时间可行的条件下，球面几何和非线性。与先前的研究结果一致，时空非局部性降低了发电机的激发条件。现在发现没有尖锐的结构。然而，在表层中，场仍然与以前类似。
2018-02-12 astro-ph.SR
Idealised hydrodynamic simulations of turbulent oxygen-burning shell convection in 4π geometry
这项工作研究了恒星对流的性质，特别强调了上对流边界（CB）的夹带。在$4π$几何中，在代表性的加热率驱动下，在$768^3$和$1536^3$网格上，对大质量恒星O燃烧壳层中的湍流对流进行了理想化模拟。还在$768^3$网格上执行加热系列。$1536^3$模拟显示，在$1.33\times10^{-6}~M_\odot~\mathrm{s}^{-1}$的上CB处存在夹带率。$768^3$模拟与相同的加热速率同意在17%.The夹带率在上对流边界被发现与驱动光度和剪切速度在上边界的立方成线性比例，而径向RMS流体速度与驱动光度的立方根成比例，正如预期的那样。在一维扩散框架中分析混合，从而得到CB混合的简单模型。分析证实了以前的研究结果，即在1D模拟中将MLT混合长度限制在到CB的距离更好地代表了来自3D模拟的球平均径向速度分布，并提供了1D中指数扩散CB混合模型的参考扩散系数$D_0$的改进确定。从3D模拟数据，我们采用的对流边界的水平速度分量中的最大梯度的位置具有$2σ$空间波动的$\approx0.17 H_P$。指数衰减扩散CB混合模型与$f = 0.03$再现球平均的三维丰度分布。
2016-11-02 astro-ph.SR
The effects of rotation on a double-diffusive layer in a rotating spherical shell
迄今为止，湍流对流中双扩散分层的数值研究都忽略了旋转的影响。我们进行的第一步，通过研究科里奥利力如何影响旋转球壳内的双扩散层的方向。为此目的，我们已经运行的参数制度，这些层预计将形成和连续增加的旋转速度的结果，快速旋转被发现有一个类似的稳定效果的整体对流通量的增加的稳定性比$R_ρ$在非旋转设置。我们还研究了King、Stellmach和Buffett（2013）在瑞利-贝纳德对流情况下提出的旋转约束机制在多大程度上受到双扩散对流的影响：如果将其分类扩展为稳定性比$R_ρ$的函数，则其分类也适用于球壳中的双扩散对流情况。此外，我们检查了盐水和热努塞尔数的比率，并将我们的结果与Spruit（2013），Rosenblum等人（2011）和Wood，Garaud和Stellmach（2013）的模型进行了比较。我们发现我们的数据最适合Spruit的模型。我们的研究结果，快速旋转进一步减少对流传输，这是已经降低了双扩散对流，可以发挥重要作用，例如，一些快速旋转的巨行星的内部建模，因为气态巨行星最近被提出受到双扩散对流。
2014-04-24 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.ao-ph
Magnetic confinement of the solar tachocline: II. Coupling to a convection zone
观测到的太阳速跃层薄的原因仍然没有很好的理解。已经提出的解释之一是，原始磁场使辐射区的旋转均匀。我们在这里测试的有效性，通过3D数值MHD模拟，包括辐射区和对流区的这种磁性的情况下。采用滞弹性球谐函数（ASH）程序进行了数值模拟。计算域从$0.07\;R_\odot$扩展到$0.97\;R_\odot$。在我们研究的参数区域中，与旋转轴对齐的偶极化石场不能保持被限制在辐射区中。当场线被允许与对流区底部的湍流非定常对流运动相互作用时，3D效应防止了场约束。与之前的工作一致，我们发现偶极化石场，即使最初深埋在辐射区内部，也会扩散到对流区。根据费拉罗等旋定律，它在辐射带上留下了对流带纬向差异旋转的印记，这是没有观察到的。
2011-07-19 astro-ph.SR
Fingering convection in a spherical shell
基于123次三维直接数值模拟，研究了非旋转球壳中指状对流的标度行为。发现化学边界层遵循层流Prandtl-Blasius模型，解释了内外边界层不对称性；针对不稳定域边缘发展了新标度律，并揭示了高雷诺数下大尺度环形射流次级不稳定性及弛豫振荡现象。
2024-04-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convective dynamo action in a spherical shell: symmetries and modulation
本文研究了球壳中三维旋转滞弹性对流驱动的发电机作用。出于对太阳发电机的行为，我们研究了不同对称性的磁流体模式的相互作用，并演示了如何复杂的对流，差分旋转和磁场之间的相互作用可能会导致调制的基本周期。对于一些参数，类型1调制通过在不同对称性的模式之间的能量转移而发生，而整体振幅几乎没有变化，对于其他参数，调制是类型2，其中振幅受到显著影响（导致活性的极大极小值），而对称性没有显著变化。最重要的是，我们确定了存在的“超调制”的解决方案，其中的活动之间的1型和2型调制混乱切换，这被认为是一个重要的过程中的太阳活动。
2016-07-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Convective overshooting and penetration in a Boussinesq spherical shell
我们研究了与湍流对流运动从对流区（CZ）延伸到位于后者下方的稳定区（RZ）相关的动力学。为此，我们已经运行了一系列的三维直接数值模拟解决纳维-斯托克斯方程的Boussinesq近似下的球壳几何。我们观察到，过冲的湍流运动到稳定的分层区域取决于三个不同的参数：RZ的相对稳定性，两者之间的过渡宽度，和湍流的强度。在所研究的情况下，这些运动管理，部分改变热分层和诱导热混合，但不那么有效地扩展标称CZ进一步向下进入稳定区域。我们发现对流区下方的动能可以用半高斯分布来模拟，其振幅和宽度可以先验地预测。我们研究不同的动态lengthscales相关的深度延伸到RZ的运动，我们发现，他们都规模非常好的lengthscale，源于一个简单的充满活力的参数。我们讨论了我们的研究结果的影响，一维恒星演化计算。
2018-10-15 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Zonal flow regimes in rotating anelastic spherical shells: an application to giant planets
在巨行星上观测到的表面纬向风形成了一种复杂的喷流模式，具有交替的顺时针和逆时针方向。虽然主赤道带位于气体巨星上，但两颗冰巨星都有明显的逆行赤道喷流。我们使用旋转球壳中的可压缩对流的三维数值模型来探索旋转或浮力主导力平衡的不同制度中的纬向流的性质。我们进行了系统的参数研究，以量化的依赖纬向流的背景密度分层和对流的驱动。我们发现赤道纬向风的方向是由浮力和科里奥利力的比值控制的。在旋转主导的制度中，发现由雷诺应力维持的赤道带。在浮力主导科里奥利力的情况下，每单位质量的角动量是均匀的，赤道带是逆行的，让人想起在冰巨星中观察到的。在这个制度中，纬向射流的振幅取决于背景密度对比与强分层模型产生更强的射流比可比弱分层的情况下。此外，我们的结果可以帮助解释恒星对流区的滞弹性模型中发现的类太阳和“反太阳”微分自转之间的过渡。在强分层的情况下，我们发现，领先的顺序力平衡可以显着变化的深度（旋转为主的内部和浮力为主的薄表层）。这种所谓的“过渡状态”在主赤道急流中有一个明显的特征，它显示出一个明显的凹坑，其中气流振幅朝赤道方向明显衰减。在木星上也观察到类似的凹陷，这表明行星内部的对流可能在这种情况下运作。
2013-02-25 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Polar waves and chaotic flows in thin rotating spherical shells
旋转球几何中的对流是行星和恒星系统中的一个重要物理过程。在低普朗特数的连续方法，我们发现强赤道非对称和对称极非线性旋转波在薄旋转球壳的无应力边界条件下的热对流模型。对于对称波，对流仅限于两个半球的高纬度地区，但在非对称波的情况下，对流仅限于靠近极点的一个半球。这与先前从该领域的研究中所知的情况形成对比。这些周期性的流动，其中的图案是稳定地旋转在方位角方向，发展一个强大的轴对称组件非常接近发病。利用周期轨道的稳定性分析，确定了稳定区域，并描述了从旋转波分支分叉出的稳定/不稳定振荡流的拓扑结构。通过对这些振荡混沌流的直接数值模拟，我们发现这些三维对流极流表现出类似于行星大气中流动的特征，如力平衡或平均物理性质。我们表明，这些结果可能会打开一条路线，以了解气体巨行星大气的无法解释的功能，特别是木星的情况下。其中包括观察到的赤道不对称性，在赤道处明显减少（所谓的凹坑），以及朱诺号任务最近观察到的围绕两极的相干涡旋。
2019-07-06 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
