Hydrodynamic turbulence cannot transport angular momentum effectively in astrophysical disks
宇宙中已知的最有效的能量来源是吸积盘。黑洞周围的粒子将5%至40%的静止质量能量转化为辐射。就像水在排水沟里循环一样,流入的物质必须失去角动量,这可能是由于圆盘中的剧烈湍流造成的,而圆盘本质上是无粘性的。湍流的起源尚不清楚。热盘的导电等离子体可以成为湍流的方式的线性磁旋转不稳定性。冷的盘,例如原恒星的行星形成盘,可能由于电离太差而导致磁旋转不稳定性发生,因此基本上是非磁化的和线性稳定的。非线性流体动力学不稳定性通常发生在雷诺数足够大的线性稳定流动(例如,管流)中。虽然行星形成盘具有极端的雷诺数,开普勒旋转增强了它们的线性流体动力学稳定性,因此它们是否可以湍流,从而有效地传输角动量的问题是有争议的。在这里,我们报告了一个实验室实验,表明非磁性准开普勒流雷诺数高达数百万基本上是稳定的。按比例缩小到吸积盘,角动量的传输速率远低于天体物理学的要求。通过排除纯粹的流体动力学湍流,我们的结果间接支持磁旋转不稳定性作为湍流的可能原因,即使在冷磁盘。
2006-11-15 astro-ph physics.flu-dyn
Rotational diffusion of particles in turbulence
通过实验室测量,我们比较了均匀,各向同性湍流中的球形和椭球形颗粒的旋转。我们发现粒子的角速度统计可以很好地用Ornstein-Uhlenbeck过程描述。该理论模型预言粒子角速度的拉格朗日自协方差将呈指数衰减。我们测量的自协方差使用立体粒子图像测速(SPIV)适用于粒子的大小是在环境湍流的惯性子范围内。SPIV解析了粒子内部点的运动,由此我们计算了粒子的固体旋转。这为我们提供了单个粒子的角速度时间序列。通过系综统计,我们确定了角速度的自协方差,并确认它匹配的形式预测的一个随机过程。我们可以进一步使用自协方差曲线来量化湍流旋转扩散率。
2013-01-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Angular Momentum Transport by Keplerian Turbulence in Liquid Metals
我们报告了一个实验室研究的传输角动量的湍流的导电流体限制在一个薄盘。当施加到液态金属的电磁力足够大时,角动量的相应体积注入产生以时间平均开普勒旋转速率$\barΩ\sim r^{-3/2}$为特征的湍流。两个本地角动量输运的贡献被确定:一个从极向回流引起的边界的存在下,和其他从湍流波动的散装。后者产生独立于流体分子粘度的有效角动量输运,并导致Kraichnan的预测$\text{Nu}_Ω\propto\sqrt{\text{Ta}}$。因此,在这个所谓的极限状态下,实验提供了一种类似于吸积盘的结构,可以预测开普勒湍流引起的吸积率。
2022-06-28 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Response maxima in time-modulated turbulence: Direct Numerical Simulations
通过对纳维-斯托克斯方程的直接数值模拟,研究了湍流对时间调制强迫的响应。大尺度强迫通过频率为$ω$的周期性能量输入变化进行调制。响应是最大的大涡周转时间的倒数范围内的频率,证实了冯德Heydt,Grossmann和Lohse(物理评论E 67,046308(2003))的平均场预测。根据该理论,响应最大值仅显示出对雷诺数的较小依赖性,并且对所监测的特定流量也相当不敏感,例如,动能、耗散率或泰勒-雷诺数。在足够高的频率下,动能响应的幅度随着$1/ω$而减小。对于超出最大响应范围的频率,观察到相对于时间调制强迫的相移的显着变化。
2005-09-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Turbulence modulation in channel flow of finite-size spheroidal particles
我们研究了颗粒形状对悬浮液中体积分数为$ϕ= 10\%$的球形颗粒湍流的影响,并显示了近壁颗粒动力学如何随着颗粒纵横比的变化而变化,以及这如何影响全局悬浮行为。当雷诺切应力的显著减小大于固相引起的附加应力的补偿时,湍流随扁颗粒的纵横比减小,导致相对于具有纵横比$\mathcal{AR}\leq1/3$的颗粒的单相流的阻力减小。扁圆形颗粒被发现,以避免接近壁的区域,平行于它以小的角速度,同时优先采样的壁区域中的高速流体。扁长颗粒也倾向于平行于壁取向,并避免其附近。它们绕展向轴旋转的不稳定性降低了流动的壁面法向速度波动,因此降低了湍流雷诺应力,这与扁圆体相似;然而,它们在平行于壁面的平面内进行旋转,这增加了额外的固体应力,因为与扁圆体相比,它们具有相对较大的角速度。这些较大的附加应力补偿了湍流活动的减少,并导致类似于单相流的壁阻力。另一方面,与其他研究形状相比,球体在翼展方向上以大的角速度形成靠近壁的层,这除了在悬浮体上施加最大的固体应力之外还增加了湍流活动。因此,球形颗粒相对于单相流增加了壁阻力。
2018-09-05 physics.flu-dyn
Rotations of small, inertialess triaxial ellipsoids in isotropic turbulence
小,惯性三轴椭球体的旋转运动的统计计算沿拉格朗日轨迹提取均匀各向同性湍流的直接数值模拟。在\citet{ChevillardMeneveau13}的基础上,考虑了粒子的角速度及其沿三个主轴方向的分量。粒子的角速度,称为粒子拟能的方差,被发现与细长形状的粒子增加。考虑涡量和应变率对粒子旋转的贡献,解释了这种趋势。结果表明,大部分粒子涡拟能是由流体涡引起的。应变率引起的旋转,这是敏感的形状,主要是由应变涡相互作用取消。其余的应变率引起的旋转是负责弱变化的粒子拟能。对于所有形状的粒子,大部分的拟能是在最长轴的旋转,这是由于最长轴和流体涡之间的对齐。粒子绕每个轴的角速度的积分时标表明,绕最长轴的旋转是最持久的,但完整的旋转是罕见的。
2016-11-29 physics.flu-dyn
On the enhancement of boundary layer skin friction by turbulence: an angular momentum approach
Center for Turbulence Research, Stanford University(斯坦福大学湍流研究中心);Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, Irvine(加州大学欧文分校机械与航空航天工程系)
本文提出角动量积分(AMI)方程,将湍流对边界层表面摩擦的增强效应分解为力矩项,并应用于DNS数据,揭示负法向速度区域在限制峰值摩擦中的作用,为解释湍流和流动控制影响提供直观框架。
2025-10-09 physics.flu-dyn
Energy and angular momentum balance in wall-bounded superfluid turbulence
没有粘性法向分量的超流体应该是理想无粘欧拉流体的最佳实现。正如达朗贝尔著名的悖论所表达的那样,一个理想流体不对它流过的物体施加阻力,或者换句话说,它不与它们交换动量。而且,理想流体的流动不耗散动能。我们实验研究这些性质是否适用于超流3 He-B在低温旋转圆柱中的流动。发现理想行为被量子湍流打破,这导致大量的能量耗散,正如之前所观察到的。在这里,我们表明,值得注意的是,几乎理想的行为是保留相对于角动量交换之间的超流体和它的容器,即,阻力在零温度极限几乎消失。这种能量和角动量转移之间的不匹配导致了一种新的物理情况,其中壁约束量子湍流的正确描述需要两个有效的摩擦参数,一个用于能量耗散,另一个用于动量耦合,这在非常低的温度下变得非常不同。
2013-03-19 cond-mat.other physics.flu-dyn
Translational and rotational dynamics of a large buoyant sphere in turbulence
我们报告的平移和旋转动力学的一个大的浮力球在各向同性湍流的实验测量。我们介绍了一种有效的方法,同时确定的位置和(绝对)方向的一个球体从视觉观察。该方法采用最小化算法从绘制到球体表面上的特定图案的2D投影获得取向。这具有以下优点:它不需要参考图像的数据库,使用并行处理可容易地缩放,并且实现精确的绝对取向参考。球体的平移动力学分析揭示了流向和横向方向之间的明显差异。平移自相关和PDF提供了证据,即使在湍流条件下,在粒子的动力学周期性。角自相关显示出弱的周期性。角加速度表现出宽尾,但没有方向依赖性。
2016-03-08 physics.flu-dyn
Analytical theory of forced rotating sheared turbulence. I. Perpendicular case
我们提供了一个一致的理论湍流存在的剪切和旋转。从脉动场的准线性方程出发,考虑剪切和旋转对湍流的影响,导出了湍流振幅和湍流输运系数。我们表明,剪切减少湍流振幅和运输,更强烈的方向平行于剪切比在垂直的,有效地诱导各向异性湍流。旋转进一步降低了湍流幅度和传输。剪切和旋转之间的相互作用被证明会产生一种新的非扩散通量的角动量($Λ$ -效果),提供了一种机制,在天体物理和地球物理系统的剪切结构的永久性。
2008-06-12 physics.flu-dyn
Angular momentum transport and turbulence in laboratory models of Keplerian flows
我们目前的角动量输运(扭矩)测量在最近的两个实验研究的湍流之间的独立旋转的圆柱。除了这些研究,我们重新分析以前的扭矩测量,以扩大实验泰勒-库埃特流的控制参数的范围。我们发现,扭矩可以被描述为仅依赖于雷诺数的功能,它描述了湍流驱动强度,和旋转数,其特征在于全球旋转的影响的产品。对于一个给定的雷诺数,全球角动量输运开普勒样的流动剖面是约14%的最大可实现的传输速率。我们估计,这种水平的运输将产生一个吸积率$\dot{M}/\dot{M_0} \sim 10^{-3}$在天体物理磁盘。我们认为,这种水平的运输从流体力学本身可能是显着的。
2011-11-29 astro-ph.GA physics.flu-dyn
Optimal Taylor-Couette turbulence
对半径比η= 0.716的内外圆柱独立旋转的强湍流Taylor-Couette流动进行了实验研究。从全局扭矩测量,我们分析了在大泰勒数区域10^{11} \lesssim Ta \lesssim 10^{13}中作为泰勒数Ta和角速度比a = -ω_o/ω_i的函数的无量纲角速度通量Nu_ω(Ta,a)。我们用无量纲角速度输运通量Nu_ω(Ta,a)= f(a)Ta^γ的普通幂律分析法对数据进行了分析,其振幅为f(a),指数为γ。对于所有的α,数据与一个有效指数γ= 0.39 \pm 0.03一致。角速度通量的振幅f(a)= Nu_ω(Ta,a)/Ta ^0.39被测量为在轻微反向旋转时最大,即在角速度比a_opt = 0.33 \pm 0.04时。这个值在理论上被解释为不稳定的内圆筒旋转和稳定但剪切增强的外圆筒反向旋转之间的竞争的结果。借助激光多普勒测速仪,我们提供了角速度剖面,并确定了中性线的径向位置r_n。而对于中等反向旋转-0. 40 ω_i \lesssim ω_o < 0,中性线仍然保持靠近外圆柱,概率分布函数(p.d. f.)的体积角速度被观察到是单峰的。对于更强的反向旋转,中性线被向内推向内圆筒;在这种情况下,p.d.f.的体积角速度变成双峰,反映了湍流结构的间歇性爆发,超过中性线进入外部流域,否则外部流域由反向旋转的外部圆柱体稳定。最后,提供了一个假设,允许所有这…
2012-10-02 physics.flu-dyn
Wave-driven geostrophic vortices in rotating turbulence
Landau Institute for Theoretical Physics, Russian Academy of Sciences(俄罗斯科学院朗道理论物理研究所);HSE University(高等经济大学)
该研究通过旋转湍流直接数值模拟,揭示惯性波驱动地转涡旋的机制,发现地转模式能量占比随旋转速率非单调变化,快速旋转可抑制湍流二维化。
2026-10-14 physics.flu-dyn
Angular dependence of third-order law in anisotropic MHD turbulence
Xiangtan University(湘潭大学);Southern University of Science and Technology(南方科技大学);University of Delaware(特拉华大学)
研究通过MHD湍流模拟发现,极角60°可更准确估计能量耗散率,为太阳风及其他湍流领域提供新方法。
2025-12-18 physics.flu-dyn physics.space-ph
The effects of no-slip boundaries and external force torque on two-dimensional turbulence in a square domain
本研究通过直接数值模拟探究方形无滑移域二维湍流,揭示了外力矩对系统动力学状态的调控作用,修正了均匀系统标度律,提出了边界层速度剖面通用标度关系,明确了无滑移边界对逆能量级串的影响。
2025-08-21 physics.flu-dyn
High Reynolds number Taylor-Couette turbulence
Taylor-Couette流--两个同轴同向或反向旋转的圆柱之间的流动--是流体物理学中的典型系统之一。(无量纲)的控制参数是雷诺数的内部和外部的圆筒,圆筒半径的比率,和纵横比。系统的响应是保持恒定角速度所需的扭矩,其可以与通过间隙的角速度传输相关联。在上世纪80年代和90年代,低雷诺数区域已经得到了很好的研究,而在完全湍流区域,主要的研究活动只是在最近十年才发展起来。在本文中,我们回顾了这一最新进展,在我们的理解充分发展的泰勒-库埃特湍流,从实验,数值和理论的角度来看。我们将集中在参数依赖的全球扭矩和当地的流动组织,包括速度剖面和边界层。接下来,我们将讨论不同(湍流)流动状态之间的转换。我们还将详细说明这个系统与天体物理盘(开普勒流)的相关性。最后,对未来湍流泰勒-库埃特流研究的挑战进行了总结。出版于ARFM:Annu. Rev. Fluid Mech.48:53-80(2016)。
2019-03-30 physics.flu-dyn
Angular momentum transport and large eddy simulations in magnetorotational turbulence: the small Pm limit
吸积盘中的角动量输运通常被认为是由于磁旋转不稳定性介导的磁流体动力学湍流。尽管有丰富的文献的MRI,控制湍流的饱和振幅的参数知之甚少,并在欧姆扩散制度的渐近行为的存在没有明确确立。我们研究了小磁普朗特数极限下的湍流态性质。由于这是非常昂贵的计算,我们还研究了最常见的次网格尺度模型的相关性和适用范围。在可压缩和不可压缩极限下进行非分层剪切盒模拟,分辨率高达800个单元/圆盘尺度高度。后者构成了MRI湍流模拟有史以来达到的最大分辨率。在存在的平均磁场线程域,角动量输运收敛到一个有限的值在小Pm限制。当平均垂直场振幅使得热压力与磁压力之比β等于1000时,我们发现当Pm接近零时α约为0.032。在平均环向场β = 100的情况下,我们发现在相同的极限下α~0.018。隐式大涡模拟和Chollet-Lévet闭合模型都再现了α参数和功率谱的结果。当使用这样的方法时,实现了至少16(并且高达256)倍的计算成本的降低。如果存在平均磁场,MRI湍流在小Pm极限下有效运行。隐式LES提供了一个实用和有效的手段调查这一制度,但应谨慎使用,特别是在垂直领域的情况下。Chollet-Lefford闭包模型非常适合用频谱代码进行模拟。
2015-05-21 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Transition from Weak Wave Turbulence to Soliton-Gas
我们报告了一个实验调查的影响有限深度的统计特性的波动湍流在水面上的重力毛细范围。我们分别通过改变水深和强迫来调节波的色散和非线性程度。我们使用时空分辨轮廓术来重建变形的水面。当减小水深时,我们观察到在最弱强迫下的弱湍流和在较强强迫下的孤波状态之间的剧烈转变。我们通过研究它们的傅里叶光谱来表征这两种状态之间的转变。我们还研究了弱湍流区的能量传递效率。我们报告的角度传输的效率损失的波的色散减少,直到系统分叉到孤子制度。
2017-09-14 physics.flu-dyn
The orbital angular momentum of a turbulent atmosphere and its impact on propagating structured light fields
当结构光通过大气传播时,湍流导致模式散射和失真。一个被广泛研究的例子是携带轨道角动量(OAM)的光,其中大气被视为相位失真,数值工具提取产生的模态串扰。这种方法关注的是光本身,受到大气的扰动,但不容易获得物理上的洞察力,也没有提出一个相关的问题:光束获得或失去的OAM来自哪里?在这里,我们通过放弃光束并计算大气本身的OAM来解决这个问题。有了这个直观的模型,我们能够得出一般的结论,大气湍流对OAM光束的影响,我们证实了实验。我们的工作改变了对这个问题的看法,打开了新的见解OAM在湍流中的物理,很容易扩展到其他结构光场通过任意像差。
2021-05-26 physics.flu-dyn physics.optics
Rotation of anisotropic particles in Rayleigh-Bénard turbulence
瑞利-贝纳德湍流中的无惯性各向异性颗粒表现出最大的翻滚率为弱扁圆形状,在发达的湍流中观察到的普遍行为,其中平均翻滚率单调下降的颗粒的纵横比。这是由于湍流波动和平均剪切流的强度,我们表明,是由动力学边界层的并发效应。在Rayleigh-Bénard湍流中,扁长粒子优先与流体速度对准,而扁扁长粒子则与温度梯度对准。这一分析阐明了粒子角动力学和对流湍流的小尺度性质之间的联系,并对更广泛的剪切湍流流类具有影响。
2020-06-29 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Spherically Symmetric Accretion Flows: Minimal Model with MHD Turbulence
第一个球形吸积模型是在55年前提出的,但这个理论还远没有完成。真实的吸积流被发现是随时间变化的湍流。本文提出了分别处理湍流的最小MHD球吸积模型。湍流的处理是基于对碰撞MHD的几种状态的模拟。冻结放大,耗散,发电机行动,各向同性,和恒定的磁螺旋度的影响是自洽包括在内。解除了均质和磁场各向同性的假设。正确的磁化流的动力学计算。扩散、对流和辐射都没有考虑在内。发现了两种不同类型的辐射低效吸积流:跨音速非旋转流(I),角动量向外有效输运的流(II)。非旋转流的吸积速率比邦迪速率小几倍,因为湍流会抑制吸积。具有角动量输运的流动的吸积速率比Bondi速率小约10-100倍。高度螺旋湍流,外磁化状态,和不同的状态方程的影响进行了讨论。流动被发现是对流稳定的平均,尽管气体熵增加向内。所提出的模型具有少量的自由参数和以下吸引人的性质。在非旋转磁化流的内部密度被发现是几倍低于密度在非磁化吸积。仍然需要几倍的低密度来解释观测到的低红外光度和低法拉第旋转测量到Sgr A* 上的吸积。
2008-03-27 astro-ph physics.flu-dyn
Demonstration of the rotational viscosity transfer across scales in Navier-Stokes turbulence
Research Center for Advanced Science and Technology, The University of Tokyo(东京大学先进科学技术研究中心)
本研究扩展了自旋角动量守恒的Navier-Stokes方程,通过二维自由衰减湍流的谱分析,验证了旋转粘性能够将小尺度结构向大尺度转移,揭示了Navier-Stokes湍流中秩序跨尺度传播的新机制。
2025-07-30 math-ph math.MP physics.class-ph
Large Scale Features of Rotating Forced Turbulence
用摄动理论研究了随机各向同性不可压缩无界旋转流体的大尺度特征。在一阶的随机力的振幅和角速度,我们发现两种类型的修改的流体运动方程。第一个修正将分子剪切粘度转换为(与旋转无关的)有效粘度。第二个扰动修正导致了一个新的大尺度非耗散力,它与慢旋转区域中的流体角速度成正比。该有效力不做净功,并且改变了在流体中传播的惯性波的色散关系。这两种动态产生的修正都可以用牛顿流体的最一般的轴对称"粘度张量“的某些分量来确定。
2003-01-29 astro-ph cond-mat nlin.CD
Predicting the Slowing of Stellar Differential Rotation by Instability-Driven Turbulence
本研究针对恒星较差自转湍流角动量输运速率难预测的问题,建立了GSF不稳定性驱动湍流的自洽饱和理论,推导了无自由参数的输运率解析公式,经数值模拟验证吻合良好,并拓展至热盐不稳定性湍流的输运研究。
2024-03-12 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Geometry of intensive scalar dissipation events in turbulence
湍流中标量耗散率的最大值以片状形式出现,对应于可能最强烈的标量混合事件。它们的横截面扩展确定了混合过程的局部变化扩散尺度,并扩展了经典的Batchelor图像的一个平均扩散尺度。局部扩散尺度的分布进行了分析,不同的雷诺数和施密特数的快速多尺度技术应用于非常高分辨率的模拟数据。刻度总是在整个Batchelor范围内及以外取值。进一步将它们的分布追溯到流的收缩短时李雅普诺夫指数的分布。
2006-08-24 nlin.CD physics.flu-dyn
Small scale structures in three-dimensional magnetohydrodynamic turbulence
我们使用网格高达1536^3点的直接数值模拟,研究了在确定性和随机初始条件下,三维衰减MHD流中小尺度发展的速率。平行的流面和涡面在相同的空间位置形成,并在初始指数阶段后进一步不稳定和折叠或卷起。在高雷诺数下,发现电流和涡度最大值的自相似演化,其中它们作为时间的三次方增长;然后流量达到独立于雷诺数的有限耗散率。
2006-07-28 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Hydrodynamical transport of angular momentum in accretion disks in the presence of nonlinear perturbations due to noise
开普勒吸积盘中流体动力学不稳定性和湍流的起源是一个长期存在的谜团。其中的流动是线性稳定的。在这里,我们探讨的扰动在这种流动中的存在下,一个额外的力的演变。这样的力量,这是预计将随机的性质,因此表现为噪声,可能会导致从热波动(无论多么小),颗粒流体相互作用,从天体物理磁盘流出的反馈等,我们基本上建立了非线性扰动的演变存在的科里奥利和外力,这是修改后的朗道方程。我们得到,即使在线性制度下,适当的强迫和雷诺数,否则最不稳定的扰动演变到一个非常大的饱和振幅,导致非线性和合理的湍流。因此,强迫本质上导致线性稳定模式不稳定。我们进一步表明,非线性扰动发散在一个较短的时间尺度的存在力,导致快速过渡到湍流。有趣的是,非线性的出现只取决于力,而不是初始扰动振幅,不像原来的朗道方程为基础的解决方案。
2021-11-16 astro-ph.HE physics.flu-dyn
Energy- and flux-budget turbulence closure model for stably stratified flows. Part II: the role of internal gravity waves
我们改进了我们先前的能量和通量预算湍流闭合模型(Zilitinkevich等人,2007,2008)的稳定分层的大气流动,并扩展它占额外的垂直通量的动量和额外的生产的湍流动能,湍流位能(TPE)和湍流通量的位温由于大尺度重力内波(IGW)。IGW的主要效应如下:通量理查森数的最大值(在无IGW区为0.2-0.25的普适常数)变得强可变。在垂直均匀层结中,它随波浪能的增加而增加,甚至可以超过1。在非均匀层结中,当IGW向较强层结传播时,最大通量理查森数随波浪能的增大而减小,最大通量趋于零,然后变为负值。也就是说,位温的垂直通量呈反梯度变化。IGW还降低了湍流的各向异性,增加了TPE在湍流总能量中的份额。根据方向(向下或向上),IGW加强或削弱总的垂直动量通量。该模式的预报结果与大气和实验室试验、直接数值模拟和大涡模拟的数据相一致。
2009-08-18 astro-ph.EP nlin.CD physics.ao-ph
Stochastically driven instability in rotating shear flows
研究了旋转剪切流中流体动力学湍流的起源。重点研究了随着径向坐标的增大,角速度减小,比角动量增大的流动。这种流动是瑞利稳定的,但必须是湍流,以解释观测数据。当排除任何磁流体/磁流体动力学不稳定性和相应的湍流时,线性理论和观测/实验之间的这种不匹配更加严重。本工作探讨了随机噪声对这种流体动力学流动的影响。我们主要集中于这种流动的一小部分,它只不过是一个由科里奥利效应补充的平面剪切流。这也模仿了天体物理学上的一小部分吸积盘。研究发现,这种随机驱动的流动表现出较大的扰动速度的时间和空间相关性,因此扰动的能量耗散较大,这可能会产生不稳定性。本文研究了背景流的一系列角速度(Ω)剖面,从常比角动量剖面(λ= Ωr^2 ; r为径向坐标)到常圆周速度剖面(v_r = Ωr)。然而,所有的背景角速度表现出相同的增长和粗糙度指数的扰动,揭示了一个独特的普适性类的随机强迫流体动力学的旋转剪切流。这项工作,据我们所知,是第一次尝试了解起源的不稳定性和湍流的三维瑞利稳定旋转剪切流通过引入附加噪声的基本线性化控制方程。这对解决天体物理流体动力学流动(如吸积盘)中的湍流问题具有重要意义。
2012-11-21 astro-ph.GA astro-ph.HE cond-mat.stat-mech
The coupling between internal waves and shear-induced turbulence in stellar radiation zones: the critical layer
由于重力重力波在角动量输运中的重要作用,它被认为是解释太阳、太阳型主序星和演化恒星角速度分布的候选者之一。我们带来的关注临界层,一个在恒星物理学中很少探索的过程,定义为给定波的局部相对频率与流体旋转频率趋于零的位置(即对应于共旋转共振)。IGW通过稳定分层的辐射区域传播,在那里它们通过两个过程提取或沉积角动量:辐射和粘性阻尼以及临界层。我们的目标是获得后者的影响的全貌。首先,我们揭示了IGWs在绝热和非绝热情况下的临界层附近的传播方程的数学解决方案。然后,使用一个动力学恒星演化程序,它处理角动量的长期输运,使我们能够将这些结果应用到类太阳恒星的情况。分析揭示了两种情况,取决于临界层的Richardson数的值:一个稳定的,IGW衰减,因为他们通过一个临界水平,以及不稳定的湍流情况,其中它们可以被具有大于1的系数的临界水平反射/透射。这种过度反射/透射可能对我们对恒星内部角动量输运的看法产生强烈的影响。本文强调存在两个制度定义IGW和临界层之间的相互作用。一个应用程序暴露的第一个政权的效果,表现出加强波的阻尼。此外,这项工作开辟了新的途径有关IGW和恒星内部剪切不稳定性之间的耦合。
2013-03-07 astro-ph.SR physics.ao-ph physics.flu-dyn
A high resolution simulation of protoplanetary disk turbulence driven by the vertical shear instability
本研究采用268.4 M网格点和四阶Padé格式模拟了垂直剪切不稳定性驱动的3D原行星盘湍流,揭示了3D流动中的湍流剪切层、角动量阶梯结构及动能谱特征,并发现轴对称VSI在后期存在伪影。
2024-11-07 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Route of hydrodynamic turbulence in rotating shear flow: Secondary perturbation triggers growing eigenmodes through the elliptical instability
旋转剪切流中的流体动力学湍流的起源是一个很大的难题,如包含科里奥利力的平面Couette流。虽然流动在实验室实验中经常表现出湍流,但根据线性扰动理论,它应该总是稳定的。我们表明,二次扰动的主要扰动流触发椭圆不稳定性在这样的系统,因此指数增长的本征模。这一结果在天体物理学和天体物理学中有直接的应用,因为天体物理学和天体物理学经常表现出具有开普勒角动量分布的湍流。我们解决了这样的开普勒流,这是类似于旋转库埃特流的湍流的起源。
2005-08-31 astro-ph cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Large-scale flow generation by inhomogeneous helicity
本文研究了动力螺旋度(速度-涡度关联)对湍流动量输运的影响。湍流动力学螺旋度(赝标量)以螺旋度梯度的形式作为平均涡度和/或角速度(轴向矢量)的耦合系数进入雷诺应力(镜像对称张量)表达式,这表明在非均匀螺旋度存在下产生平均流的可能性。这种不均匀的螺旋度效应,这是以前确认的水平上的湍流或封闭模型模拟,检查与直接数值模拟的帮助下,旋转湍流与非均匀螺旋度持续的外部强迫。数值模拟结果表明,雷诺应力的空间分布与螺旋度相关项和角速度的耦合相一致,在角速度方向产生了大尺度流动。在均匀湍流螺旋度的情况下,不会引起这样的大尺度流动。这一结果证实了非均匀螺旋度效应在大尺度流动生成中的有效性,并表明即使在不存在斜压性效应的不可压缩湍流中,涡旋发电机也是可能的。
2016-03-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Growing pseudo-eigenmodes and positive logarithmic norms in rotating shear flows
当角动量随辐射坐标增大而角速度随辐射坐标减小时,旋转剪切流在线性扰动下是流体动力学稳定的。开普勒流就是出现在天体物理学背景下的这种系统的一个例子。虽然衰减的本征模表现出大的瞬态能量增长的扰动,可以管理到系统的非线性,反馈的固有不稳定性产生湍流似乎值得怀疑。我们表明,这样的系统表现出增长的伪本征模很容易达到增长率的上界的对数范数所涉及的非正常运营商,从而表现出反馈的固有不稳定性。这在天体物理学上支持了开普勒吸积盘中流体动力学起源的湍流的存在。因此,这启发了线性理论和实验/观测数据之间的不匹配,并有助于解决其中的湍流起源的突出问题。
2011-01-24 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.geo-ph