Magnetorotational instability with smoothed particle hydrodynamics
我们提出了一个彻底的数值研究的MRI使用平滑粒子磁流体动力学方法（SPMHD）的几何密度平均力表达式（GDSPH）。我们进行剪切盒模拟不同的初始设置和广泛的分辨率和耗散参数。我们表明，第一次，MRI与持续的湍流可以成功地模拟SPH，结果与以前的工作与基于网格的代码一致。特别是，对于分层的盒子，我们的模拟再现了至少100个轨道的饱和湍流的MRI发电机的特征蝴蝶图。相反，传统的SPH模拟遭受失控的增长和发展非物理大方位场，类似于最近的研究结果与无网格方法。我们研究了MRI湍流对SPH中数值普朗特数的依赖性，重点是非分层，零净通量的情况。我们发现，湍流只能维持与普朗特数大于$\sim$ 2.5，类似的临界值的物理普朗特数在网格代码模拟。然而，不同于基于网格的代码，在SPH的数值普朗特数增加的分辨率，并为一个固定的普朗特数，所产生的磁能和应力是独立的分辨率。对所有模拟进行平均场分析，得到的输运系数表明在非分层情况下没有$α$效应，但在分层介质中有一个活跃的$αΩ$发电机和抗磁泵效应，这与以前的研究基本一致。在我们的模拟中没有明确的剪切电流发电机的迹象，这可能是负责一个较弱的平均场增长在高大，无分层，零净通量模拟。
2021-05-03 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Stability of MRI turbulent Accretion Disks
基于磁旋转不稳定性（MRI）和MRI驱动湍流的特点，我们利用“非标准”$α$ -处方建立了一个几何薄圆盘的定常模型。角动量输运的效率取决于磁普朗特数$Pm = ν/η$，其中$ν$和$η$是微观粘性扩散率和磁扩散率。在我们的圆盘模型中，Shakura-Sunyaev的$α$参数对磁普朗特数有幂律依赖性，即$α\propto Pm^δ$，其中$δ$是常数幂律指数。采用斯皮策的微观扩散系数，磁普朗特数成为一个减少的功能时，磁盘半径$δ> 0$。因此，角动量的传输效率和粘性加热速率在盘的外部较小，而这些受到指数$δ$的大小的影响。我们发现，随着$δ$指数的增大，盘的引力不稳定性增强。在$δ> 2/3$条件下，即使辐射压很小，盘模型最显著的特点是热不稳定性和长期不稳定性也能在盘的中部增长。在实际盘系统中，除非MRI驱动湍流的$Pm$依赖性相对较弱，否则很难维持稳定的质量吸积状态。
2010-11-21 astro-ph.HE
Evolution of the magnetorotational instability on initially tangled magnetic fields
以前的磁旋转不稳定性（MRI）模拟的初始磁场总是包括一个显着的系统规模的组成部分，即使是随机的。然而，它是概念和实际利益，以评估是否MRI可以增长时，初始场是湍流。天体物理等离子体中普遍存在的湍流或随机流一般会导致一个小尺度发电机（SSD），它将提供初始种子湍流速度和磁场的等离子体，成为吸积盘。MRI能从这些更现实的初始条件中发展出来吗？为了解决这个问题，我们提供了一个标准的剪切盒与各向同性强制SSD产生的磁场和速度场作为初始条件，并删除强制。我们发现，如果最初提供的领域是太弱或太不相干，他们从最初的湍流级联衰减速度比他们可以通过MRI增长。当初始提供的场足以允许MRI生长和维持时，饱和应力、大尺度场和功率谱与具有初始大尺度垂直场的标准零净通量MRI模拟的那些相匹配。
2017-10-11 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Saturation of the MRI in Strongly Radiation Dominated Accretion Disks
在不分层剪切盒近似下，用Goddham辐射MHD程序研究了强辐射主导的吸积盘中磁转动不稳定性的饱和程度.由于在这项工作中忽略了垂直重力，我们的重点是如何在磁盘的光学厚中平面的MRI饱和。我们确认，由MRI产生的湍流是非常可压缩的辐射为主的制度，发现由以前的计算使用的通量限制扩散近似。我们还发现，在使用较大的水平域（高达四倍的径向方向上的垂直标度高度）的计算中，饱和度特性的差异很小。然而，在强辐射压力占主导地位的磁盘（其中的辐射能量密度达到1%的气体的静止质量能量密度），我们发现麦克斯韦应力从MRI湍流是大于当辐射压力被替换为相同量的气体压力时产生的值。与此同时，麦克斯韦应力和雷诺应力之间的比值增加了近8倍的气体压力为主的情况相比。我们认为，这种影响是由辐射阻力，它的行为像体积粘度和改变流体的有效磁普朗特数。辐射粘度显着超过微观等离子体粘度和电阻率，确保辐射占主导地位的系统占据高磁普朗特数制度。然而，我们发现辐射剪切粘度是可以忽略不计的麦克斯韦和雷诺应力相比，在流动。这可能对辐射主导的吸积盘的结构具有重要意义。
2013-03-07 astro-ph.HE
Unified treatment of mean-field dynamo and angular-momentum transport in magnetorotational instability-driven turbulence
本文通过直接统计模拟建立统一平均场模型，同时处理MRI驱动湍流中的大尺度发电机与角动量输运，揭示旋转-剪切-电流效应和旋转-剪切-涡量效应分别产生径向和垂直磁场，并给出相关输运系数的显式形式。
2023-11-14 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Statistical simulation of the magnetorotational dynamo
利用准线性统计模拟方法，对磁旋转不稳定性（MRI）引起的湍流和发电机进行了分析。研究发现，均匀湍流是不稳定的大规模发电机不稳定性，饱和到一个非均匀的平衡与磁普朗特数（Pm）的强烈依赖。尽管其极大地减少了非线性，在准线性模型中的角动量输运对Pm的依赖性在定性上类似于非线性MRI湍流。这表明，最近的收敛问题可能与大规模发电机，并建议如何显着简化模型可用于深入了解天体物理学相关的制度非常低或高PM。
2014-11-27 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
MRI-driven $αΩ$ dynamo at high Pm numbers
本研究通过分层剪切盒模拟和新技术计算发电机系数，探讨了高磁普朗特数区间下 MRI 驱动的 $αΩ$ 发电机机制，发现平均磁场及发电机系数随 Pm 增加而增强，使发电机周期缩短、增长率加快，预测磁场放大应至少增加约 5 倍。
2025-01-09 astro-ph.HE astro-ph.SR
Nonlinear evolution of magnetorotational instability in a magnetized Taylor-Couette flow: scaling properties and relation to upcoming DRESDYN-MRI experiment
本研究分析了磁化Taylor-Couette流中标准磁旋转不稳定性（SMRI）的非线性演化与饱和性质，发现磁能和扭矩随雷诺数等参数呈特定幂律标度，为即将进行的DRESDYN-MRI实验中识别SMRI提供了理论依据。
2023-07-27 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Dissipative effects on the sustainment of a magnetorotational dynamo in Keplerian shear flow
磁旋转发电机一直被认为是天体物理学吸积盘中湍流角动量输运的可能驱动因素之一。然而，各种数值结果表明，这种发电机可能难以激发在天体物理学相关的制度的磁普朗特数（Pm）显着小于单位，目前还不清楚的原因。这篇文章的目的是提出的第一个结果，正在进行的数值调查的作用，在这个问题中的线性和非线性耗散效应。结合参数的探索和不可压缩的非线性MRI发电机周期的过渡动力学在大的纵横比剪切盒的能量分析，我们发现，湍流磁扩散的激励和维持这个发电机在中等磁雷诺数（Rm）越来越难以减少Pm。这将导致发电机的临界Rm的增加，增加运动学雷诺数（Re），与早期的数值结果一致。鉴于其非常通用的性质，我们认为，湍流磁扩散可能是一个重要的决定因素，MRI发电机激发磁盘，也可能限制MRI湍流在低PM制度的角动量运输的效率。
2014-10-13 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
The Magnetorotational Instability Prefers Three Dimensions
磁旋转不稳定性（MRI）发生时，弱磁场不稳定的旋转，导电流体与向内增加角速度。磁共振成像是必不可少的天体物理磁盘理论，其中剪切是典型的开普勒。恒星内部的剪切层也可能是MRI不稳定的，它们的剖面范围很广，包括近临界的。我们发现，一个理想的磁流体的增长最快的模式是三维的剪切速率，$S$，是附近的二维起始值，$S_c$。对于开普勒剪切，三维模式在$S\approx0.10S_c$以上是不稳定的，并且在$S\approx2.05S_{c}$之前主导二维模式。这些三维模式占主导地位的剪切配置文件相关的恒星和磁性普朗特数相关的液体金属实验室实验。大量快速增长的三维模式在$2.05S_{c}$之后仍然存在。这些发现在三个方面具有重要意义。首先，弱非线性理论表明，磁共振饱和，推动剪切速率到其临界值。这可能发生在恒星和实验室实验等系统中，这些系统可以重新排列它们的角速度分布。第二，当三维存在时，MRI模式的非正常特征和大的瞬态增长应该是重要的。最后，三维增长表明直接发电机行动驱动的线性不稳定性。
2019-12-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Viscous and Resistive Effects on the MRI with a Net Toroidal Field
在局部天体物理盘模型中，电阻率和粘滞性在确定磁旋转不稳定性（MRI）驱动的湍流中的能级方面具有重要作用。本研究使用Athena程序来描述在具有净环形磁通量的非分层剪切箱模拟中恒定剪切粘度ν和欧姆电阻率η的影响。先前用ZEUS程序对净磁场为零的剪切盒进行的研究发现，当磁普朗特数P_m = ν/η低于P_m \sim 1时，湍流消失;当P_m \gtrsim 1时，时间和体积平均应力水平随P_m增加。我们用Athena重复这些实验，得到了一致的结果。接下来，粘度和电阻率的环向场MRI的影响进行了研究，无论是线性增长和充分发展的湍流。在线性区域，足够大的ν或η可以阻止MRI的增长，而P_m本身对线性扰动的增长几乎没有直接影响。通过将一系列的ν和η值应用到由存在背景环向场的充分发展的湍流组成的初始状态，我们研究了它们在完全非线性系统中的作用。在这里，增加的粘度增强了湍流，并且只有当电阻率高于临界值时湍流才衰减;与零净场模型相反，即使当P_m < 1时湍流也可以持续。虽然我们发现初步证据表明，当ν和η变得足够小时，应力收敛到一个小范围的值，但对于相对较大的η和ν，耗散项对MRI驱动的湍流的影响是显著的，与场的几何形状无关。
2009-10-22 astro-ph.HE astro-ph.SR
The Saturation Limit of the Magnetorotational Instability
对均匀剪切盒中磁旋转不稳定性（MRI）的模拟表明，磁场的渐近强度随着分辨率的增加而急剧下降。在这里，我模型的MRI驱动发电机作为一个大规模的发电机驱动的垂直磁螺旋通量。这种增长是由二次不稳定性驱动的大规模混合平衡的。饱和磁能密度几乎与典型涡流的垂直高度成线性关系。MRI可以驱动具有任意大的垂直波数的涡流，因此涡流厚度由扩散效应、由大尺度垂直场分量的磁张力或由磁浮力效应设定。在均匀，零磁通量，模拟只有第一个效果适用和发电机的饱和极限是由显式或数值扩散。确切的结果取决于数值的细节，但与以前的工作是一致的，包括声称饱和场能量作为气体压力的四分之一功率（我们解释为数值耗散的伪影）。随着模拟分辨率的增加，均匀剪切盒中的磁能密度将趋于零，但这对发电机或真实吸积盘中的角动量输运没有影响。饱和状态取决于磁普朗特数的说法也可能是模拟的人工制品，其中微物理传输系数设置MRI涡流厚度。最后，MRI发电机的效率是阿尔文速度与压力标度高度和局部剪切力的乘积之比的函数。当从下方接近统一时，发电机达到最大效率。
2009-02-05 astro-ph.HE astro-ph.SR
Angular Momentum Transport in Protoplanetary and Black-Hole Accretion Disks: The Role of Parasitic Modes in the Saturation of MHD Turbulence
磁旋转不稳定性（MRI）被认为是驱动天体物理盘中有效角动量输运的关键过程。理解它的非线性饱和构成了现代吸积盘理论的一个基本问题。吸积盘中物理条件的大的动力学范围使得仅用数值模拟来解决这个问题具有挑战性。我们分析的概念，（二次）寄生不稳定性是负责的饱和的MRI。我们的方法使我们能够探索耗散制度，相关的天体物理和实验室条件，超越了目前的数值模拟访问的制度。我们计算的频谱和物理结构的寄生模式，饲料的最快，准确的（主要）MRI模式时，其幅度是这样的，最快的寄生模式的增长一样快的MRI。我们认为，这个“饱和”的幅度提供了一个估计的磁场，可以由MRI产生的二次不稳定性抑制其增长显着之前。最近的工作表明，磁共振成像的饱和振幅主要取决于磁普朗特数。我们的研究结果表明，只要粘性效应不占主导地位的流体动力学，磁共振成像的饱和度只取决于埃尔萨瑟数$Λ_η$。我们计算应力和磁能密度之间的比率，$α_{\rm sat}β_{\rm sat}$，与主要MRI模式相关。我们发现，对于$Λ_η>1$，Kelvin-Helmholtz模是导致饱和和$α_{\rm sat}β_{\rm sat} = 0.4$的主要原因，而对于$Λ_η< 1$，撕裂模占主导地位，并导致$α_{\rm sat}β_{\rm sat} \simeq 0.5 \, Λ_η$ .围绕年轻恒星和致密天体的吸积盘的MRI模拟的几个特征可以根据我们…
2012-05-23 astro-ph.HE
Magnetorotational dynamo chimeras. The missing link to turbulent accretion disk dynamo models?
在开普勒吸积盘中，湍流和磁场可以通过包含磁旋转不稳定性（MRI）的亚临界发电机过程联合激发。高分辨率的模拟表现出统计自组织的MRI发电机湍流到大规模的循环动力学的趋势。了解这些结构的物理起源，以及它们是否可以在天体物理条件下有效地维持和传输角动量，是一个重大的理论挑战。简单的周期性非线性MRI发电机解决方案的发现最近被证明是有用的，在这方面，并已显着地突出了湍流磁扩散的作用，在低磁普朗特数Pm（磁扩散率大于粘度），一个共同的制度，在吸积盘的动态似乎衰减。然而，这些简单结构与湍流模拟中报告的统计组织之间的联系仍然难以捉摸。在这里，我们报告的数值发现在中等纵横比开普勒剪切盒的新的周期性，不可压缩的，三维非线性MRI发电机解决方案具有较大的动力学复杂性，让人想起这样的模拟。这些“嵌合体”周期的特点是多个MRI不稳定的动力学阶段，但它们的基本物理原理的自我维持，然而是相同的那些更简单的周期中发现的方位角拉长盒。特别是，我们发现，他们没有持续在低PM由于亚临界湍流磁扩散。这些解决方案提供了一个新的视角到从层流到湍流不稳定性驱动发电机的过渡，并可能被证明是有用的设计改进的统计模型的湍流吸积盘发电机。
2016-07-11 astro-ph.HE
Shearing-box simulations of MRI-driven turbulence in weakly collisional accretion discs
我们提出了一个系统的剪切盒调查MRI驱动的湍流在弱碰撞等离子体包括各向异性的压力应力，即各向异性（Braginskii）粘度的影响。我们约束的压力各向异性（$Δp$）位于稳定性范围内，否则将施加动力学微观不稳定性。我们探索了一个广泛的区域的参数空间，考虑不同的雷诺数和磁场配置，包括净垂直通量，净环形垂直通量和零净通量。值得注意的是，我们发现，湍流和角动量输运的水平并没有受到很大的各向异性粘度的影响：麦克斯韦和雷诺应力没有太大的不同，从MHD的结果。Braginskii MHD中的角动量输运仍然强烈依赖于各向同性耗散，例如，各向同性磁性普朗特数，即使当各向异性粘度是数量级大于各向同性扩散率。然而，布拉金斯基粘度改变了流动结构，重新排列湍流，以在很大程度上抵消来自背景剪切的平行应变率。我们还表明，体积平均压力各向异性和各向异性粘性输运随着各向同性雷诺数（${\rm Re}$）的增加而减小;例如，在利用净垂直场的模拟中，当我们从${\rm Re} \sim 10^3$移动到${\rm Re} \sim 10^4$时，各向异性与麦克斯韦应力的比率（$α_{\rm A} / α_{\rm M}$）从$\sim 0.5$减小到$\sim 0.1$。因此，各向异性输运在高${\rm Re}$下可以忽略不计。然而，各向异性粘度在大${\rm Re}$下成为主要的加热源，占等离子体加热的$\gtrs…
2019-04-17 astro-ph.HE
MHD simulations of the magnetorotational instability in a shearing box with zero net flux: the case Pm=4
本文研究了当磁普朗特数Pm大于1时，大雷诺数Re下磁旋转不稳定性引起的MHD湍流的输运特性。对无分层剪切盒中零净磁通的磁旋转不稳定性进行了三种MHD模拟。这些模拟与代码宙斯进行，并考虑角动量输运率的演变，Re逐渐增加，从3125到12500，同时保持Pm=4。为了确保流动的小尺度特征被很好地分辨，分辨率从每盘尺度高度128个单元变化到每盘尺度高度512个单元。后者构成了迄今为止MRI湍流模拟的最高分辨率。使用α参数测量的角动量输运率仅非常弱地依赖于雷诺数：发现α约为0.007，在所有模拟中，该平均值的变化范围为15%。Re没有系统演化。对于最佳分辨率的模型，动能功率谱初步显示出一个幂律范围内的指数-3/2，而磁能被发现转移到越来越小的尺度随着磁雷诺数的增加。几种不同的诊断都表明一个明确定义的注射长度的一小部分的规模高度。这封信中提出的结果是一致的MRI能够有效地传输角动量在大雷诺数时，Pm=4在非分层零净通量剪切盒。
2010-04-14 astro-ph.HE astro-ph.SR
Resistivity-driven State Changes in Vertically Stratified Accretion Disks
利用Athena程序对垂直分层吸积盘中的磁旋转不稳定性（MRI）进行了局域模拟，研究了剪切粘性和欧姆电阻率对MRI的影响.首先，我们使用一系列的非分层模拟来校准物理耗散作为分辨率和背景场强度的函数;磁普朗特数Pm =粘度/电阻率对湍流的影响被每个磁盘尺度高度H的~32个网格区域捕获。与以前的结果一致，我们的分层磁盘计算的特点是由一个亚热，占主导地位的环形磁场，产生MRI驱动的湍流|z| < 2 H。高于|z| = 2 H，磁压占主导地位，磁场是不稳定的。大规模的径向和环形场也产生附近的中平面，随后通过磁盘上升。这个平均场的极性在大约10个轨道周期的过程中切换，这个过程可以用α-ω发电机很好地模拟。湍流应力增加与PM，但与非分层模拟相比，具有较浅的依赖性。对于足够大的电阻率，在cs H/1000的数量级上，其中cs是声速，中平面的2 H内的MRI湍流经历电阻衰减然后再生长的周期。这种再生长是由通过发电机的环向场的放大引起的。这个过程导致在10至100轨道时间尺度上的应力的大幅变化，这可能与观察到具有高和低吸积状态的部分电离盘有关。
2011-01-31 astro-ph.HE
Saturation of the magnetorotational instability in the unstratified shearing box with zero net flux: convergence in taller boxes
以前的研究中的一个特定类型的剪切盒模型的非线性制度的磁旋转不稳定性-未分层，没有净磁通量-发现，没有明确的耗散（粘度和电阻率）的饱和振幅随数值分辨率的增加而减小。我们发现，这一结果是强烈依赖于计算域$L_z/L_x$的垂直纵横比。当$L_z/L_x\lesssim 1$，我们恢复以前的结果。然而，当垂直域扩展到$L_z/L_x \gtrsim 2.5$时，我们发现应力的饱和水平大大增加（给出应力与压力之比$α\gtrsim 0.1$），而且结果与数值分辨率无关。与以前的结果相一致，我们发现，饱和的MRI在这个制度是由一个循环发电机，产生补丁的强环向场，开关的符号在垂直方向上的尺度$L_x$。我们推测，当$L_z/L_x\lesssim 1$，发电机被抑制的垂直域的小尺寸，导致令人费解的饱和振幅分辨率的依赖性。我们表明，以前的玩具模型开发来解释MRI发电机与我们的研究结果是一致的，并且在分层剪切盒模拟（导致所谓的蝴蝶图）中观察到的环形场的循环模式也可能是相关的。在高框的饱和振幅是不敏感的显式耗散是否包括在计算中，至少对于大的磁雷诺数和普朗特数。最后，我们表明MRI湍流在高域有一个较小的临界$\rm{Pm}_c$，和延长的寿命相比，$L_z/L_x\lesssim 1$框。
2015-12-03 astro-ph.HE
Local outflows from turbulent accretion disks
本文的目的是研究弱垂直磁场穿过的吸积盘的性质，特别关注磁旋转不稳定性（MRI）驱动的MHD湍流和可能从盘中发射的外流之间的相互作用。为此，我们使用一组数值模拟进行的MHD代码RAMSES的剪切盒模型的框架。我们集中讨论一个相当弱的垂直磁场的情况，使得盘中平面的热压力和磁压力的初始比值β 0等于10 ^4。正如最近报道的，我们发现，MHD湍流驱动一个有效的外流的计算框。我们证明了一个强大的灵敏度，结果的盒子大小：在径向和垂直方向上的放大导致质量损失率的数量级减少。这样的依赖性，防止任何现实的估计磁盘的质量损失率正在使用剪切盒模拟。然而，我们发现，流动形态是强大的，独立的数值模拟的细节。它的性质显示了一些让人想起Blandford & Payne发射机制的特征和近似不变量，但存在差异。对于本文中考虑的磁场强度，我们还发现，角动量输运最有可能占主导地位的MHD湍流，其饱和度与磁普朗特数，粘度和电阻率的比例，在一种方式，是在良好的协议与预期的基础上未分层的模拟。因此，本文首次证明，吸积盘可以同时表现出MRI驱动的MHD湍流与磁离心加速外流。
2013-02-14 astro-ph.HE astro-ph.SR
The large scale magnetic fields of thin accretion disks
穿过吸积盘的大尺度磁场是喷流形成模型中的一个重要组成部分。对于这样一个大尺度场的起源，最吸引人的设想是来自星际介质或伴星的吸积盘中的气体对流场。然而，它被认识到，向外扩散的吸积场是快速的向内吸积速度相比，在一个几何薄的吸积盘，如果普朗特数Pm的值是约1。在这项工作中，我们重新审视这个问题，考虑到磁盘的角动量主要是由磁驱动的外流。盘的径向速度由于流出的存在而显著增加。使用一个简化的模型的垂直盘结构，我们发现，即使是适度弱的领域可以通过磁风平衡向外扩散造成足够的角动量损失。有两个平衡点，一个在低场强对应于等离子体β在中平面的订单几百，和一个强吸积场，β ~1。我们推测，第一个是相关的吸积弱，可能是外部，通过磁盘的外部部分的字段，而后者可以解释的趋势，观察到在全三维数值模拟，强大的通量束在磁盘的中心，以保持限制，尽管强大的MRI湍流周围。
2013-01-19 astro-ph.HE
