Compressible Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence in Magnetically-Dominated Plasmas And Implications for A Strong-Coupling Regime
在这封信中，我们报告可压缩模式的影响，相对论磁流体动力学（RMHD）湍流坡印廷占主导地位的等离子体使用3维数值模拟。采用Cho & Lazarian（2002）的模式分解方法，将湍流中的涨落分解为快、慢和Alfvén三种MHD模式，并分别分析了它们的能谱和结构函数。分析了可压缩模态能量与Alfvén模态能量之比随其马赫数的变化关系。结果表明，可压缩模的比例不仅随Alfvén马赫数的增大而增大，而且随背景磁化强度的增大而增大，这表明在坡印廷主导的等离子体中，快模和Alfvén模之间存在强耦合，并出现了不同于非相对论MHD情形的新的RMHD湍流区.这一发现将影响通过假设Alfvénic临界平衡湍流获得的粒子加速效率，并将改变由非热电子产生的光子谱。
2016-10-17 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Energy-consistent finite difference schemes for compressible hydrodynamics and magnetohydrodynamics using nonlinear filtering
本文介绍了一种求解可压缩流体动力学和磁流体动力学（MHD）方程的能量一致的有限差分格式。对于可压缩磁流体力学，利用空间差分的乘积规则，导出了能量一致的有限差分格式。内能方程、动能方程和磁能方程的守恒性质可以在离散水平上得到满足，而无需显式求解总能量方程。数值解中的激波和不连续性通过非线性滤波方案稳定化。通过引入粘性和电阻加热率，还导出了过滤方案的能量一致的离散化。由此产生的能量一致的制定可以实现与各种中心差分，非线性滤波和时间积分计划。二阶和五阶计划的基础上提出的制定实施。通过一维和二维数值试验证明了本方案的守恒性和鲁棒性。所提出的方案成功地处理了最严格的问题，在极高的马赫数和低β条件。
2021-02-24 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Gauging Centrifugal Instabilities in Compressible Free-Shear Layers Via Nonlinear Boundary Region Equations
本研究针对弯曲自由剪切层离心不稳定性研究不足的问题，在高雷诺数渐近框架下将可压缩Navier-Stokes方程简化为非线性边界区域方程，探究了多个流动参数对该不稳定性发展的影响。
2024-03-04 physics.flu-dyn
General exact law of compressible isentropic magnetohydrodynamic flows: theory and spacecraft observations in the solar wind
磁流体动力学（MHD）湍流的各种形式的精确定律已被导出，无论是在不可压缩极限，或等温可压缩流动。在这里，我们提出了一个更一般的方法，使我们能够获得任何湍流等熵流（即，常数熵）。我们证明，已知的MHD精确的法律（不可压缩和等温）和新的（多变）的一个可以得到作为特定情况下的一般法律时，相应的封闭方程。我们还恢复了所有已知的流体动力学（HD）湍流（不可压缩的，等温的和多变的）从这个法律的限制${\bf B}=0$的确切法律。我们还表明，在这项工作中的两种形式（等温和多方）的MHD精确的法律利益之间的差异驻留在一些源项和明确的形式取决于内能的通量项。最后，我们将这两种形式的帕克太阳探测器（PSP）的数据在日光层内，以突出不同的封闭方程如何影响能量级联率估计。
2021-05-17 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Exact law for compressible pressure-anisotropic magnetohydrodynamic turbulence: toward linking energy cascade and instabilities
本文导出了可压缩压力各向异性磁流体动力学湍流的第一精确定律。对于一个gyrotropic压力张量，我们研究了双绝热的情况下，并显示存在新的通量和源项的确切法律，让人想起的等离子体不稳定条件，由于压力各向异性。霍尔长期示出，使离子尺度修正的确切法律，而不明确影响的压力项。在压力各向同性的限制，我们恢复所有已知的等温和多方封闭的结果。不可压缩极限的回旋系统导致的推广的Politano和Pouquet的法律，其中一个新的{ \it不可压缩}源项被发现，并反映了交流的磁场和动能与不再保守的内能。我们强调了新的法律提供的可能性，以调查湍流级联和不稳定性之间的潜在联系广泛观察到的实验室和天体物理等离子体。
2022-03-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence: mode coupling, scaling relations, anisotropy, new regime and astrophysical implications
我们提出了数值模拟和探索可压缩磁流体动力学（MHD）湍流的标度和各向异性。我们的研究涵盖了在不同的马赫数的气体压力为主（高β）和磁为主（低β）等离子体。此外，我们提出了superAlfvenic湍流的结果，并讨论在何种方式下，它是类似于subAlfvenic湍流。我们描述了一种分离不同的磁流体动力学（MHD）模式（慢，快和阿尔芬）的技术，并将其应用到我们的模拟。结果表明，在高β和低β情况下，Alfven模和慢模都具有Kolmogorov谱（指数=-5/3）和尺度相关的Goldreich-Sridhar各向异性，而快模具有指数=-3/2和各向同性的谱.本文讨论了在不同区域由MHD湍流引起的密度涨落的统计特性。我们的发现涉及许多天体物理学的含义，从宇宙射线传播到伽马射线暴和恒星形成。特别是，我们表明，早期研究人员报道的湍流的快速衰减是不相关的压缩性和模式耦合MHD湍流。此外，我们发现，磁场增强和密度增强是轻微相关的。在AU尺度上解决部分电离星际气体的密度结构，我们表明，新的制度的MHD湍流，我们以前报告的不可压缩流持续可压缩湍流，因此可能会提供一个解释这些神秘的结构。
2003-07-03 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Temporal Properties of the Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence
针对可压缩MHD湍流时间特性这一未解问题，本研究提出三种MHD模色散关系的洛伦兹展宽可解释其频谱特征，揭示了展宽宽度与波数的标度关系及与能量级联的关联，为该领域研究提供新视角。
2023-10-05 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy transfer in compressible magnetohydrodynamic turbulence
磁场、压缩性和湍流是许多地球和天体物理过程中的重要因素。虽然能量动力学，即能量是如何转移内和之间的动力和磁水库，以前已经研究了不可压缩的磁流体动力学（MHD）湍流的背景下，我们扩展壳到壳的能量转移分析的可压缩制度。我们推导出四个新的传递函数，特别是捕获压缩性的影响，在动能和磁级联，并捕获通过磁压力的能量交换。为了说明他们的可行性，我们执行和分析四个模拟驱动等温MHD湍流在亚和超声速制度与两个不同的代码。一方面，我们的分析揭示了跨政权和数值方法的鲁棒特性。例如，个别尺度之间的能量转移是本地和向前的两个级联与磁级联是强于动能。与叶栅相比，与磁张力和磁压力相关的转移不那么局部化，并且更弱。我们没有发现明显的非本地转移的证据。另一方面，我们表明，某些功能，例如，磁能级联的压缩分量表现出更复杂的行为，其随状态和数值方法而变化。在建立了可压缩状态下的分析基础之后，该方法现在可以应用于研究更广泛的参数空间。
2017-10-03 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
A finite-volume scheme for modeling compressible magnetohydrodynamic flows at low Mach numbers in stellar interiors
完全可压缩磁流体动力学（MHD）模拟是研究发电机放大在恒星深对流层产生磁场中作用的基本工具。在这种环境中产生的流动的特征是低（音速）马赫数（M_son < 0.01）。在这些制度中，传统的MHD代码通常表现出过度的耗散，往往是低效的，因为Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）的时间步长约束变得过于严格。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，有效地模拟低马赫数的磁流体流动在空间相关的重力位，同时仍然保留所有的可压缩性的影响。该格式在有限体积Seven-League Hydro（SLH）程序中实现，采用低马赫数的五波Harten-Lax-van Leer间断（HLLD）求解器来减少数值耗散，采用基于Strang分裂的隐-显时间离散技术来克服过于严格的CFL约束，以及一种平衡方法，该方法显著降低了强分层设置中的空间离散化误差的幅度。通过在交错网格上使用约束输运方法，对磁场施加螺线管约束。我们进行了五个验证测试，包括模拟一个小规模的发电机在一个类似恒星的环境中在M_son ~ 0.001。我们表明，所提出的计划可以用来准确地模拟可压缩MHD流的制度，低马赫数和强烈分层设置，即使与适度粗糙的网格。
2022-10-04 astro-ph.IM astro-ph.SR cs.NA
Self-Similar Solutions to the Compressible Euler Equations and their Instabilities
本文讨论等熵可压缩欧拉方程自相似解的构造及其稳定性。这些解决方案模拟了各向同性内爆的气体，在有限时间内形成奇点。光滑解的存在性，消失在无穷远，没有真空区域最近被证明，在本文中，我们提供了第一个建设这样的光滑配置文件，第一个表征他们的径向扰动谱以及一些端点的不稳定方向。欧拉方程的数值模拟提供了证据，这些端点之一是在原点奇点之前发生的激波形成，表明内爆过程是不稳定的。
2021-09-15 math-ph math.AP math.MP
Energy-conserving finite difference scheme for compressible magnetohydrodynamic flow at low Mach numbers using nonconservative Lorentz force
Iwate University（岩手大学）
本研究提出了一种适用于低马赫数压缩磁流体动力学流动的节能有限差分方案，通过非保守洛伦兹力实现能量守恒和稳定收敛。
2025-12-23 physics.flu-dyn
Biglobal instabilities of compressible open-cavity flows
采用直接数值模拟和大尺度稳定性分析方法，研究了展向周期性可压缩开口空腔流动的稳定性特性，其中矩形空腔的长宽比分别为$L/D=2$和6。本研究探讨了在亚音速和跨音速条件下，可压缩性起着重要作用的层流状态下，稳定/不稳定稳态的不稳定性行为。据观察，马赫数的增加使亚音速区的流动不稳定，而使跨音速区的流动稳定。对二维定常状态下给定展向波长的二维和三维本征模进行了Biglessness稳定性分析。二维本征模的性质与二维非线性模拟中观察到的一致。在三维本征模态的分析中，发现马赫数的增加使主导的三维本征模态稳定。对于具有$L/D=2$的短腔，3D本征模主要源于离心不稳定性。对于含有$L/D=6$的长腔，出现了其他类型的本征模，其结构从腔的后区延伸到腔的中区。在$M_\infty=0.6$执行选定数量的3D DNS。对于$L/D=2$，三维非线性流中存在的三维结构的性质与从线性稳定性分析获得的性质密切对应。然而，对于$L/D=6$，由于在腔的长度上发展的强非线性，在3D DNS中不能清楚地观察到3D本征模式。此外，还指出流动的三维性有助于减轻长空腔的剧烈振荡。本文的分析可以提供有价值的见解，设计有效的流动控制策略，以抑制不希望的气动和压力波动的可压缩开腔流。
2017-06-01 physics.flu-dyn
Shear instabilities in shallow-water magnetohydrodynamics
在浅水磁流体力学的框架内，我们研究了水平剪切流的线性不稳定性，受对齐的磁场和分层。各种经典的不稳定性结果，如Høiland的增长率界和霍华德的半圆定理，扩展到这个浅水系统相当一般的配置文件。两个具体的分段恒定速度的轮廓，涡片和矩形射流，分析和渐近研究，它被发现，磁场和分层（弗劳德数测量）一般都是稳定的，但弱不稳定性可以发现在任意大的弗劳德数。数值解计算相应的光滑的速度剖面，双曲线切线剪切层和Bickley射流，为一个统一的背景场。为了理解两种剖面的不稳定性特征，采用了Drazin & Howard（1962）长波渐近分析的推广。对于剪切层，主要的不稳定性的机制被解释在反向传播的Rossby波，从而允许解释的稳定效果的磁场和分层。
2015-01-31 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Peristaltic Flow in Compressible, Ideal Magnetohydrodynamics: A Mechanism For Solar Spicules
University of Salford（萨尔福德大学）
基于可压缩理想MHD的蠕动流模型，在薄管长波近似下计算时间平均体积流量，解释太阳针状体的定向向上流动，并预测观测特征。
2026-08-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Parametric Instabilities in Shallow Water Magnetohydrodynamics Of Astrophysical Plasma in External Magnetic Field
这封信讨论了天体物理等离子体薄层的旋转磁流体动力学（MHD）。本文用浅水近似来描述垂直外磁场中具有自由表面的薄等离子体层。垂直磁场的存在从根本上改变了天体物理等离子体中的波过程动力学相比，中性流体和等离子体层中的一个thoroidal磁场。在这种情况下，存在三波非线性相互作用。利用渐近多尺度方法推导了非线性波包相互作用方程：三个磁庞加莱波相互作用、三个磁旋波相互作用、两个磁庞加莱波和一个磁旋波相互作用以及两个磁旋波和一个磁庞加莱波相互作用。衰变不稳定性和参数放大的存在进行了预测。我们发现了以下四种衰变不稳定性：磁庞加莱波衰变为两个磁庞加莱波，磁旋波衰变为两个磁旋波，磁庞加莱波衰变为一个磁庞加莱波和一个磁旋波，磁旋波衰变为一个磁旋波和一个磁庞加莱波。还发现了磁庞加莱波的参量放大、磁旋波的参量放大、磁旋波存在时的磁庞加莱波放大和磁旋波存在时的磁旋波放大等参量放大机制。分别求出了不稳定性增长率和参数放大因子。
2015-12-06 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Spanwise effects on instabilities of compressible flow over a long rectangular cavity
在自由流马赫数为$M_\infty=0.6$和基于深度的雷诺数为$Re_D=502$的条件下，分析了长深比为$L/D=6$的矩形空腔二维和三维可压缩流动的稳定性。在这项研究中，我们仔细研究的影响，三维的尾流模式，已被报道表现出高振幅波动的形成和喷射的大规模展向涡。采用直接数值模拟和双全局稳定性分析方法研究了尾流模态的不稳定性。采用以时均流为基态的双全局稳定性分析方法，得到了展向波数为$β=0$的尾流模态的全局稳定性。为了揭示展向效应对二维尾流模态的影响，采用腔宽深比为$W/D=1$和$2$的情况进行了三维DNS。我们发现，二维尾流模式是不存在于三维空腔流动的一个更广泛的展向设置与$W/D=2$，其中展向结构附近的空腔的后部区域。通过对$λ/D=0.5-2.0$展向波长的双全局稳定性分析，进一步研究了这些三维不稳定性，揭示了三维本征模的本征谱。基于二维和三维整体稳定性分析的结果，我们得出结论：三维矩形空腔流动中尾迹模式的消失是由于展向涡的动能释放到由展向不稳定性发展的流向涡结构。
2018-05-02 physics.flu-dyn
Energy balance and Alfvén Mach numbers in compressible magnetohydrodynamic turbulence with a large-scale magnetic field
能量均分是理解天体物理等离子体的有力理论工具。例如，它被用来测量星际介质（ISM）中的磁场，作为小尺度湍流发电机作用的证据，并且通常用于估计恒星形成分子云的能量预算。在这项研究中，我们激励和探索的体积平均均方根（rms）之间的湍流，$δ\mathbf{B}$和大规模，$\mathbf{B}_0$领域，$\left< (δ\mathbf{B}\cdot\mathbf{B}_0)^{2} \right>^{1/2}_{\mathcal{V}}$的磁耦合项的作用。通过考虑能量平衡方程的二阶矩，我们证明了在亚Alfvénic大尺度湍流场中，均方根耦合项与体均湍流动能能量均分。在这些条款之间的准确的能量均分的假设下，我们推导出的磁性和耦合项波动，这提供了良好的，无参数的协议与时间平均的数据从280可压缩MHD湍流的数值模拟的关系。此外，我们还研究了湍流马赫数、平均场马赫数和总Alfvén马赫数之间的关系，并证明了亚Alfvénic湍流只能通过强的大尺度磁场发展，而强磁场支持极端的超Alfvénic湍流磁场.这意味着，磁场波动显着次主导的亚阿尔夫文大尺度场制度的速度波动。在整个研究中，我们广泛讨论了观测磁场和理解磁化ISM中的动态的影响。
2022-07-24 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Local conservative regularizations of compressible magnetohydrodynamic and neutral flows
理想系统如MHD和欧拉流可能发展出涡量奇点（w =旋度v）。粘性和电阻率提供了奇异性的耗散正则化。在本文中，我们提出了一个最小的，局部的，保守的，非线性的，分散的可压缩流和理想的MHD正则化，类似于KdV正则化的一维运动波方程。这项工作扩展和显着推广不可压缩欧拉和理想MHD的早期工作。它涉及到一个微尺度的截止长度λ，这是密度的函数，不像在不可压缩的情况下。在MHD中，它可以取为电子无碰撞趋肤深度c/omega_pe的量级。我们的正则化保留了原系统的对称性，并与适当的边界条件，导致相关的守恒律。与未正则化系统相比，能量和拟能服从由初始数据确定的先验边界。一个哈密顿和泊松括号制定和应用推广的本构关系，有界高涡矩。一个'漩涡'的速度场被确定，并示出运输W/ρ和B/ρ，推广开尔文-亥姆霍兹和阿尔芬定理。用定常正则化方程模拟了旋转涡、MHD箍缩和平面涡面。所提出的正则化方法可以方便流体/MHD方程的数值模拟，并提供了一个一致的统计力学的涡/电流丝在3D，而不会爆破拟能。从我们的工作所产生的流体和等离子体动力学系统的详细分析的影响进行了简要讨论。
2016-03-03 math-ph math.MP physics.flu-dyn
Singular diffusionless limits of double-diffusive instabilities in magnetohydrodynamics
本文研究了不可压缩导电流体的差动旋转粘性流在外加方位磁场作用下的局部不稳定性。在存在磁场的情况下，流体动力学稳定的流动可以在无扩散情况和具有粘性和欧姆耗散的双扩散情况下表现出非轴对称方位磁旋转不稳定性（AMRI）。对短波近似下的振幅输运方程进行稳定性分析，发现无扩散AMRI通过Hamilton-Hopf分岔的阈值是粘性和电阻性AMRI对应于耗散Hopf分岔的阈值的奇异极限，表现为Whitney伞形奇点.只有当磁普朗特数等于1 $\rm Pm=1$时，两种不稳定性之间的平滑过渡才是可能的。在一个固定的$\rm Pm\ne 1$的双扩散AMRI的阈值是由有限的距离在参数空间中相对于无扩散的情况下，即使在零耗散限制。完全中性稳定曲面包含三个Whitney伞奇点和两个相互正交的自相交区间。在这些奇点的双扩散系统减少到一个边际稳定的系统，这是哈密尔顿或宇称时间（PT）对称。
2017-05-14 astro-ph.SR math-ph math.DS
Strong Coupling of Alfvén and Fast Modes in Compressible Relativistic Magnetohydrodynamic Turbulence in Magnetically-Dominated Plasmas
在本文中，我们报告了我们对坡印廷主导的等离子体湍流中Alfvén和快模之间新的强耦合状态的详细分析，在我们以前的工作Takamoto & Lazarian（2016）中报道，这是许多相对论等离子体现象的重要影响，并呼吁建立坡印廷主导的MHD湍流的新理论。对等温等离子体中的相对论MHD湍流进行了数值模拟，分析了快模与Alfvén模能量的比值。我们发现，即使在等温等离子体中，也可以观察到快模随背景$σ$参数的增加而增加的现象，表明这种现象在坡印廷主导等离子体中的trans-Alfvénic湍流中是普遍存在的.为了研究详细的能量转换过程，我们还进行了一系列的模拟衰减湍流注入纯Alfvén，快，慢模式，分别，并研究了从每个模式的模式转换的发展。我们还发现Alfvén模和快模之间的模式转换对背景温度几乎不敏感。最后，我们报告了一个结果的模拟与初始快模式为主的湍流。它发展成一个时间上的强耦合区，这是我们提出的快模和阿尔文模强耦合区存在的有力证据。结果表明，坡印廷主导等离子体中的强湍流与非相对论等离子体中的强湍流有很大的不同。这对坡印廷支配等离子体中粒子加速和非热光子发射的研究具有重要的指导意义。
2017-09-04 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Compressible Sub-Alfvenic MHD turbulence in Low-beta Plasmas
本文提出了一个低β等离子体中可压缩亚阿尔芬等温磁流体动力学（MHD）湍流模型，并对其进行了数值检验，将MHD湍流分为三个不同的族--阿尔芬模、慢模和快模。我们发现，由Alfvenic湍流产生的慢模和快模被抑制。结果表明，在可压缩区域中的阿尔芬模式表现出与不可压缩区域相似的标度性和各向异性。慢模式被动地模仿阿尔芬模式。然而，快模式显示出各向同性和类似于声湍流的缩放。
2002-05-17 astro-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
