Simulations of a Magnetic Fluctuation Driven Large Scale Dynamo and Comparison with a Two-scale Model
大规模（磁流体动力学）发电机（LSD）的模型，耦合大规模场的增长，总的磁螺旋度演变最好的预测LSD的饱和模拟中看到。对于周期盒中最简单的所谓“α2”LSD，驱动LSD增长的电动势取决于与波动相关的时间积分动力学和电流螺旋度之间的差异。当系统是螺旋动力学强迫（KF），大规模的螺旋场的增长是伴随着小规模的磁（和电流）螺旋度的增长，最终淬火LSD。在这里，使用模拟和理论，我们研究了互补磁强迫（MF）的情况下，系统被迫与电场，提供磁螺旋。对于这种MF情况，动力学螺旋度成为使LSD饱和的反反应器。MF和KF的情况下的模拟可以近似建模与相同的方程的磁螺旋度演变，但互补的初始条件。KF和MF情况之间的一个关键区别是，MF情况下的螺旋大尺度场与注入磁螺旋度的符号相同，而KF情况下的大尺度和小尺度磁螺旋度的符号相反。MF的情况下，可以出现，即使当热压力是近似小于磁压力，并只需要螺旋小尺度的磁波动主导的LSD驱动中的螺旋速度波动。我们认为，LSD在吸积盘和Babcock模型的太阳发电机实际上是MF LSD。
2012-01-10 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Shell to shell energy transfer in MHD, Part II: Kinematic dynamo
本文研究了在运动发电机状态下，受迫三维磁流体湍流中不同尺度之间的能量传递。研究了两种不同的力：非螺旋Taylor Green流（磁普朗特数P_M = 0.4）和螺旋ABC流（P_M = 1）。这种分析使我们能够检查哪些尺度的速度流是负责发电机的行动，并确定哪些尺度的磁场直接从速度场接收能量，哪些尺度通过级联的磁场从大到小的尺度接收磁能。结果表明，湍流速度脉动是小尺度（小尺度发电机）磁场放大的主要原因，而大尺度磁场的放大主要是由于大尺度流动。磁场能量从大尺度到小尺度的直接级联也存在，并且是小尺度中磁场增加的补充机制。从小磁尺度的速度场输入的能量占主导地位的能量是级联从大尺度，直到大尺度的磁能谱的峰值达到。在更小的尺度上，大部分磁能输入来自级联过程。
2005-05-26 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Enhancement of small-scale turbulent dynamo by large-scale shear
小尺度发电机普遍存在于大尺度切变的湍流中，从太阳和银河系的磁性到吸积盘、宇宙学和结构形成。使用高分辨率的直接数值模拟，我们表明，在非螺旋强迫湍流与零平均磁场，大规模的剪切支持小规模的发电机行动，即，发电机增长速率随着剪切而增加，剪切增强或甚至产生湍流，这又进一步增加发电机增长速率。当生产率的湍流动能由于剪切和强迫是可比的，我们发现缩放的增长率$γ$的小规模发电机和湍流速度$u_{\rm rms}$与剪切率$S$是独立的磁性普朗特数：$γ\propto |S|$和$u_{\rm rms} \propto |S|^{2/3}$。对于大的流体和磁雷诺数，$γ$，由其无剪切值归一化，仅取决于剪切。在补偿了剪切引起的湍流速度的影响后，我们发现小尺度发电机的归一化增长率具有标度，$\widetildeγ\propto |S|^{2/3}$，仅由给定速度场的诱导方程产生。
2017-08-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Dynamo Transition in Low-dimensional Models
描述了两个包含三个速度和三个磁模的低维磁流体动力学模型。其中一个模型（非螺旋模型）具有零的动能和电流螺旋度，而另一个模型（螺旋）具有非零的动能和电流螺旋度。在这两种模型中，速度模式都是强制的。这些低维模型表现出发电机过渡在一个关键的强迫振幅，取决于普朗特数。在非螺旋模型中，发电机只存在磁普朗特数超过1，而螺旋模型表现出发电机的所有磁普朗特数。虽然该模型是远离再现发电机机制的所有可能的功能，它的简单性允许一个非常详细的研究和观察到的发电机过渡承担最近的数值和实验结果的相似之处。
2008-01-17 astro-ph nlin.CD nlin.SI
Dynamo in the Intra-Cluster Medium: Simulation of CGL-MHD Turbulent Dynamo
标准的磁流体动力学（MHD）描述的等离子体中的热，磁化气体的内集群（ICM）介质是不够的，因为它是弱碰撞。在这种无碰撞的磁化气体中，粒子的微观速度分布不是各向同性的，从而在动力学尺度上产生动力学效应。这些动力学效应对于理解湍流以及ICM中磁场的放大和维持都很重要。通过对MHD方程的修正，可以建立无碰撞或弱碰撞气体的流体模型。这些模型通常被称为动力学MHD（KMHD）。使用基于CGL封闭的KMHD模型，该模型允许压力张量的两个分量（相对于局部磁场的平行分量和垂直分量）的绝热演化，我们进行了强迫湍流的3D数值模拟，以研究初始弱种子磁场的放大。我们发现，磁能的增长率与普通的MHD湍流发电机相当，但磁能的饱和程度小于MHD情况。我们还发现，发电机工作的一个必要条件是对压力的各向异性施加限制。
2011-02-25 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetic dynamo action in random flows with zero and finite correlation times
磁流体发电机理论为宇宙中磁场的起源提供了流行的理论描述。在这里，我们考虑的问题的运动，小规模的发电机行动驱动的随机，不可压缩，非螺旋，均匀和各向同性流。在Kazantsev发电机模型中，驱动流的统计被假设为在时间上瞬时相关。在这里，我们比较了模型的结果与发电机特性的模拟流，具有相同的空间特性的卡赞采夫流，但不同的时间统计。特别是，模拟流是强迫纳维-斯托克斯方程的解，因此具有有限的相关时间。我们发现卡赞采夫模型通常预测更大的磁增长率和在较小尺度上达到峰值的磁谱。然而，我们表明，通过过滤的扩散率谱在小尺度上，它是可能的，使增长率的协议，同时对齐的磁谱。
2011-03-07 astro-ph.GA astro-ph.SR nlin.CD
On the inverse cascade of magnetic helicity
通过研究三维磁流体动力学（MHD）直接数值模拟中不同球壳之间螺旋度在傅立叶空间中的详细传递，研究了导电流体中磁螺旋度的逆级联.使用两种不同的数值模拟，一种是在感应方程中用电动势强迫系统，另一种是在机械上用ABC流强迫系统，而磁场仅由发电机动作维持。在两个模拟的初始阶段的磁螺旋度级联被观察到是逆的和本地的（在尺度空间）在大尺度上，和直接的和本地的小尺度。当接近饱和时，螺旋度大部分集中在大尺度上，叶栅是非局域的。螺旋度直接从强迫尺度传递到最大尺度。同时，从最大尺度到小尺度观察到一个幅度较小的直接级联。
2005-09-08 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Understanding Helical Magnetic Dynamo Spectra with a Nonlinear Four-Scale Theory
最近MHD发电机模拟磁普朗特数$>1$表明，当MHD湍流被迫与足够的动能螺旋度，饱和磁能谱的演变，从有一个单一的峰值低于强制规模成为双峰与一个峰值在系统（=最大）的规模和一个在强制规模。最近的非线性双尺度非线性螺旋发电机理论，其中的系统和强制尺度进行相反的符号的磁螺旋度的系统尺度场的增长是很好的模拟。但是双尺度理论不能模拟小尺度峰值向强迫尺度的移动。在这里，我开发了一个四尺度螺旋发电机理论，它表明，小尺度的螺旋磁能首先在非常小的尺度饱和，但随后在较大的尺度在较大的值连续饱和，最终成为主导的强迫规模。小尺度峰值向强迫尺度的转移是在大尺度场运动学增长区结束时完成的，对于大的$R_M$，小尺度峰值向强迫尺度的转移不依赖于磁雷诺数$R_M$。四尺度和双尺度理论随后几乎相同地发展，并且都显示出系统上显著的场增长和独立于$R_M$的强迫尺度。在本方法中，频谱的螺旋和非螺旋部分在很大程度上是解耦的。分数螺旋湍流的影响进行了讨论。
2003-06-23 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Energy transfer in Hall-MHD turbulence: cascades, backscatter, and dynamo action
本文采用平均场论推导输运系数的方法和三维直接数值模拟的方法研究了Hall MHD中的尺度相互作用。在磁主导的制度，涡电阻率被发现是负定的，导致大规模的不稳定性。总能量的直接级联被观察到，虽然随着霍尔效应的幅度增加，发现大尺度的磁能的反向散射，在MHD流中不存在的功能。磁场和速度场之间的耦合不同于MHD的情况，并且还观察到从小尺度磁场到大尺度流的能量后向散射。我们还讨论了非螺旋磁强迫霍尔-MHD模拟中观测到的大尺度磁场增长。
2005-10-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
Saturated State of the Nonlinear Small-Scale Dynamo
本文研究了无平均磁场、大磁普朗特数、不可压缩、受迫、非螺旋、均匀、各向同性的MHD湍流问题。这种类型的MHD湍流是湍流发电机的最终状态，它产生具有小规模方向逆转的折叠场。我们提出了一个模型，在该模型中，实现饱和作为一个结果的速度统计成为各向异性相对于磁褶皱的局部方向。该模型结合了削弱拉伸和准二维混合的影响，并产生了显着的协议，至少在一个尺度流的情况下，数值计算结果的磁能谱。我们推测，在数值模拟中看到的统计数据可以解释为这些折叠场和沿折叠传播的阿尔文波的叠加。
2004-03-04 astro-ph nlin.CD physics.plasm-ph
Budget equations and astrophysical nonlinear mean-field dynamos
本研究针对现有非线性平均场发电机代数淬灭理论的不足，引入总湍流动能预算方程分析三类湍流中的磁场反馈效应，发现非线性发电机数随大尺度磁场增强而减小，最终使三类平均场发电机不稳定性被饱和。
2023-12-16 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Turbulent Pumping of Magnetic Flux Reduces Solar Cycle Memory and thus Impacts Predictability of the Sun's Activity
太阳磁活动对空间环境和气候有重要影响，因此预测太阳磁活动具有重要意义。然而，最近对太阳活动周期振幅的预测导致了不同的预测，没有达成共识。Yeates等人（2008年）已经表明，太阳发电机机制的动态记忆控制着可预测性，这种记忆对于平流和扩散主导的太阳对流区是不同的。通过利用随机强迫，运动发电机模拟，我们表明，列入向下湍流抽运的磁通量减少了平流和扩散为主的太阳能发电机的记忆只有一个周期，更强的抽运进一步降低这种记忆。因此，我们的研究结果调和了对太阳活动周期24振幅的不同的基于发电机模型的预测。我们的结论是，只有在最低限度之前才能对太阳活动的最大限度作出可靠的预测-允许对空间天气进行大约5年的提前规划。为了更准确的预测，在预测模型中有必要进行连续的数据同化，以解释太阳的短暂记忆。
2012-12-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Hall-MHD in driven turbulence FLASH simulations
University of Rochester（罗切斯特大学）；University of Oxford（牛津大学）；Laboratory of Laser Energetics, University of Rochester（罗切斯特大学激光能量学实验室）
本研究在FLASH代码中实现Hall-MHD，对比有无霍尔项时的涨落发电机，发现霍尔项使发电机饱和磁能更低、小尺度磁场结构更少，霍尔项类似增强的湍流扩散率。
2026-09-04 physics.plasm-ph
A study of large scale dynamo growth rates from numerical simulations and implications for mean field theories
了解磁流体力学极限下湍流等离子体中大尺度磁场的增长是磁发电机理论的一个目标。特别是，评估如何以及大规模的螺旋场的增长和饱和度的模拟匹配，预测现有的理论是很重要的进展。使用数值模拟各向同性强迫湍流没有大尺度剪切的影响，我们专注于这种比较的几个方面，以前没有测试：（1）将场分为大尺度和小尺度的主要平均场发电机理论预测，大尺度螺旋场的增长率由动力螺旋度和电流螺旋度之间的差异决定，与非螺旋度无关。小尺度磁场中的螺旋能量。我们的模拟表明，从完全螺旋强迫的大尺度场的增长率确实是不受存在或不存在的前体非螺旋发电机放大的小尺度磁场。然而，由于在我们的模拟中，前体非螺旋发电机产生的场相对于动能是强烈次均分的，我们还不能排除更强的非螺旋小尺度场的潜在影响。(2)我们已经确定了两个功能，在我们的模拟中，不能解释的最低限度的版本的两个尺度平均场论：（一）完全螺旋小尺度强迫产生显着的非螺旋大尺度磁能和（ii）的饱和度的大尺度磁场的增长是时间延迟相对于最低限度的理论预测。我们评论理想的概括理论在这种情况下，未来所需的工作。
2013-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
The inverse cascade of magnetic helicity in magnetohydrodynamic turbulence
在受迫和衰减的三维磁流体动力学湍流中，研究了导致导电湍流介质中大尺度磁结构形成的磁螺旋度$H^M$的非线性动力学.这是高分辨率的直接数值模拟和统计闭合理论的帮助下完成的。数值观察到的$H^M$的光谱标度与使用统计闭合模型的早期工作不同[Pouquet et al.，J. Fluid \textbf{77} 321（1976）]。通过对这一理论的重新考察，发现了一个普遍的动力学平衡关系，它包括了动能螺旋度、动能和磁能对$H^M$逆级联的影响，并解释了上述的矛盾。考虑的平均场发电机理论的背景下的结果表明，在湍流等离子体中的磁场激发的背景下，重要的$α$发电机效应的非线性修改。
2013-09-20 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Fully resolved array of simulations investigating the influence of the magnetic Prandtl number on magnetohydrodynamic turbulence
我们探讨的磁普朗特数Pm的能量和耗散的影响完全解决直接数值模拟的稳态，机械强制均匀磁流体动力学湍流范围Pm = 1/32至32。我们比较的光谱，并表明，如果模拟没有完全解决，陡峭的缩放的动力学磁耗散比与PM被高估。我们还提出了螺旋和非螺旋磁场的衰减湍流的结果，在那里我们发现非螺旋反向光谱转移Pm < 1。这种系统分析的结果有应用，包括恒星，行星发电机，和吸积盘。
2019-01-15 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Tridimensional to bidimensional transition in magnetohydrodynamic turbulence with a guide field and kinetic helicity injection
我们研究的三维磁流体力学流动的尺寸只强制机械，当磁引导场的强度逐渐增加的过渡。我们使用数值模拟来考虑机械强迫注入（或不注入）的流动中的螺旋度的情况。随着引导场的增加，磁场波动的强度按照引导场强度的幂律减小。我们表明，足够强的引导场，螺旋磁流体动力学流可以成为几乎二维的。在这种情况下，机械能可以经历与逆级联相容的过程，优先向大于强迫尺度的尺度转移。螺旋度的存在改变了小磁场波动的谱标度，并影响速度场和速度梯度的统计。此外，在小尺度下，流动的动力学变得由螺旋度的直接级联主导，这可以用来推导速度场的标度律。
2016-08-25 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Comparison Between Turbulent Helical Dynamo Simulations and a Nonlinear Three-Scale Theory
对大尺度磁场的非线性增长和饱和原理的理解取得了进展，这是从理论模型的比较中出现的，这些模型将磁螺旋度的演变与天体物理环境中比预期更理想化但仍然完全非线性的问题的数值模拟相结合。我们对周期盒中强迫各向同性螺旋湍流的磁场增长进行了新的比较。以前的比较之间的分析理论和模拟这个问题已经表明，一个双尺度模型比较好的模拟，同意大尺度场的增长的驱动程序是动力学和电流螺旋度之间的差异与小尺度场，以及反向反应，减缓增长的大尺度场的小尺度电流螺旋度增长。然而，双尺度模型人为地将小尺度海流螺旋度限制在与驱动动力螺旋度相同的尺度上。此外，以前的比较集中在后期饱和制度，而不是早期的增长制度。在这里，我们解决这些问题，通过比较三个规模的模型，新的模拟早期和晚期的增长制度。我们发现，最低限度的扩展到三个尺度提供了一个更好的模型比两个尺度模型的场演化，因为模拟表明，小尺度电流螺旋度不驻留在相同的规模的驱动动力学螺旋度。模拟结果还表明，随着小尺度海流从快速增长到饱和增长，小尺度海流螺旋度的峰值向低波数方向移动。
2012-06-21 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic field amplification and evolution in turbulent collisionless MHD: an application to the ICM
ICM中观测到的磁场的放大和维持通常归因于湍流发电机作用。这通常是由采用碰撞MHD模型。然而，在ICM的离子碰撞之间的平均自由程的动力学尺度的顺序，因此需要一个无碰撞的MHD描述。与碰撞MHD模拟不同，我们的研究使用相对于局部磁场方向的各向异性等离子体压力，这使得等离子体在参数空间内发生无碰撞不稳定性。在所采用的模型中，这些不稳定性通过压力各向异性的弛豫项包含在海湾中，该弛豫项模拟了镜像和消防水龙带不稳定性的反馈。这种弛豫的作用是得到与无碰撞等离子体的经验研究相一致的等离子体分布函数。我们的三维数值模拟的强迫跨音速湍流的激励下的湍流ICM的建模进行了不同的初始值的磁场强度，和不同的压力各向异性的弛豫率。我们发现，在对应于ICM条件的高β等离子体制度，快速各向异性弛豫速率给出的结果是类似的碰撞MHD模型的湍流的统计特性而言。此外，种子磁场的放大，由于湍流发电机的行动是类似的碰撞MHD模型。我们的模拟不采用各向异性弛豫显着偏离碰撞MHD的结果，并显示更多的权力在小尺度的波动的密度和速度代表的结果的不稳定性。对于这些模拟，磁场中的大尺度波动大部分被抑制，并且湍流发电机在放大种子磁场方面失败。
2013-05-24 astro-ph.CO astro-ph.GA 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
