Weak magnetohydrodynamic turbulence of magnetized plasma
研究了热压力小于磁场压力时强磁化等离子体中磁流体力学（MHD）波的弱湍流。在这种情况下，主要的非线性机制是快磁声波和Alfvenic波对慢磁声波的共振散射。结果，前一种波相对于后一种波充当高频波，使得HF波的总数-绝热不变量-另外保持不变。在弱湍流制度，这个不变量示出产生的Kolmogorov型频谱的HF波向大尺度区域的恒定通量。在短波区，另一个柯尔莫哥洛夫谱可以实现一个恒定的能量通量。这两种类型的湍流谱的显式的角度依赖性被发现的传播角接近的平均磁场的方向。
2001-09-25 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Modeling quasi-static magnetohydrodynamic turbulence with variable energy flux
在准静态MHD中，实验和数值模拟表明，能谱比Kolmogorov的$k^{-5/3}$谱更陡。为了解释这一现象，我们构建了基于可变能量通量的湍流模型，这是由焦耳耗散引起的。在第一个模型中，这是适用于小的相互作用参数，能量谱是一个幂律，但谱指数陡于-5/3。在大相互作用参数的另一个极限中，第二个模型预测指数能谱和通量。模型预测与数值计算结果吻合较好。
2014-07-10 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Turbulent drag reduction in magnetohydrodynamic and quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
在流体动力学湍流中，大尺度注入的动能级联到惯性范围，导致恒定的动能通量。相反，在磁流体动力学（MHD）湍流中，一部分动能被转移到磁能。因此，对于相同的动能注入率，MHD湍流中的动能通量与其流体动力学对应物相比减小。这导致非线性项（$\la | ({\bf u}\cdot \nabla) {\bf u} | \ra$，其中${\bf u}$是速度场）和湍流阻力相对减弱，但MHD湍流中的速度场增强。我们使用流体动力学和MHD湍流的壳模型模拟来验证上述。准静态MHD湍流也表现出类似于MHD湍流的湍流阻力减小。
2020-04-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Anisotropy in Quasi-Static Magnetohydrodynamic Turbulence
本文综述了准静态磁流体动力学湍流的研究现状。能量谱比Kolmogorov的$k^{-5/3}$谱陡峭，这是由于焦耳耗散导致动能通量随波数$k$而减小。光谱指数随相互作用参数的增大而减小。流动是准二维的，在小$k$处具有强${\bf U}_\perp$，在大$k$处具有弱$U_\parallel$，其中${\bf U}_\perp$和$U_\parallel$是相对于外部磁场的垂直和平行速度分量。对于小的$k$，${\bf U}_\perp$的能通量是负的，但是对于大的$k$，$U_\parallel$的能通量是正的。压力介导从${\bf U}_\perp$到$U_\parallel$的能量转移。
2017-09-11 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Variable energy flux in quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
实验和数值模拟表明，随着外部磁场或等效相互作用参数的增大，磁流体动力学湍流在准静态极限下的能谱偏离Kolmogorov $k^{-5/3}$谱.为了解释这一现象，我们构建了一个解析湍流模型与可变的能量通量，由于洛伦兹力引起的耗散。使用我们的模型计算的能谱的各种相互作用参数与早期的实验和数值结果定性一致。
2013-04-25 nlin.CD physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magnetohydrodynamic Turbulence: Chandrasekhar's Contributions \& Beyond
在1948-1955年期间，他写了四篇关于磁流体动力学（MHD）湍流的论文，这是该领域的第一批论文。在这些开创性的努力之后，该领域继续前进。本文将简要地介绍MHD湍流的重要工作，首先是从Eschrasekhar的工作开始。
2022-04-27 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.hist-ph
Role of cross helicity in magnetohydrodynamic turbulence
采用高分辨率直接数值模拟方法研究了强不可压三维磁流体动力学湍流。模拟结果表明，配置空间的特点是由区域的积极和消极的交叉螺旋度，对应于高度对齐或反对齐的速度和磁场波动，即使当平均交叉螺旋度为零。为了阐明交叉螺旋度的作用，在交叉螺旋度不为零的不平衡区域获得湍流的谱和结构。当在正和负交叉螺旋度区域上平均时，结果与平衡湍流的模拟一致。对所得结果进行了分析解释。
2009-01-16 astro-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Shell Models of Magnetohydrodynamic Turbulence
流体动力学湍流的壳模型起源于七十年代。他们的主要目的是用一组简单的常微分方程来描述谱空间中均匀和各向同性湍流的统计。在八十年代，磁流体动力学（MHD）湍流的壳模型出现的基础上相同的原则，作为他们的流体动力学对应部分，但也纳入磁场和速度场之间的相互作用。近年来，已经取得了重大进展，如列入非本地相互作用和适当的定义螺旋度。虽然壳模型不能解释MHD湍流的空间复杂性，但它们的动力学并没有过度简化，并且确实反映了真实MHD湍流的动力学，包括大尺度模式的不稳定性或混沌反转。此外，这些模型使用无量纲参数的实际值（高动力学和磁雷诺数，低或高磁普朗特数），允许扩展的惯性范围和准确的耗散率。使用现代计算机，直接数值模拟很难达到30年的惯性范围，而使用壳模型则可能达到8年。在本文中，我们建立了一个通用的数学框架，可以描述任何磁流体壳模型。介绍了后者的种类及其优缺点。最后，我们考虑了一些应用，处理自由衰减MHD湍流，发电机行动，阿尔芬波和霍尔效应。
2013-04-02 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Strong magnetohydrodynamic turbulence with cross helicity
磁流体力学（MHD）提供了最简单的描述磁等离子体湍流在各种天体物理和实验室系统。具有非零交叉螺旋度的MHD湍流通常被称为不平衡的，因为它意味着平行和反平行于背景场传播的阿尔文波动的能量不相等。最近的分析和数值研究表明，在每一个尺度上，MHD湍流由正负交叉螺旋度区域组成，表明这种湍流本质上是局部不平衡的。本文给出了稳态不可压MHD湍流的高分辨率数值模拟结果。有人认为，沿相反方向运动的涨落能谱（E^+和E^-）的惯性范围标度与交叉螺旋度的大小无关。当交叉螺旋度不为零时，E^+和E^-保持相同的标度，但振幅不同，这取决于交叉螺旋度的大小。
2010-04-21 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
The statistics of a passive scalar in field-guided magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流的各种研究调用理论的湍流波动的一个被动标量平流。例子包括模拟星际介质中的电子密度波动，了解星系团和星系间介质的化学成分，并测试磁流体动力学湍流的流行现象学理论。虽然被动标量湍流已被广泛研究的流体动力学的情况下，其对应的MHD湍流是显着不太好理解。在这里，我们进行了一系列的高分辨率直接数值模拟不可压缩，场引导，MHD湍流，以建立被动标量演化的基本属性。我们研究了标量的各向异性，建立了类似于Yaglom定律的标度关系，并测量了被动标量统计量的不对称性。我们还评估在何种程度上的伪阿尔芬波动强MHD湍流可以模拟为一个被动标量。结果表明，被动标量在MHD湍流的动力学是相当复杂的比在流体动力学的情况下。
2014-09-25 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
Dynamic Alignment in Driven Magnetohydrodynamic Turbulence
最近的分析预测的动机，我们报告的数值证据表明，在驱动不可压缩磁流体动力学湍流的磁场和速度场的波动局部倾向于调整其极化方向。这种动态对准在较小尺度下更强，偏振之间的角度失配随着尺度λ近似为θ_λ~ λ^{1/4}而减小。这可以自然地导致非线性相互作用的减弱，并为在强磁化湍流的数值实验中观察到的能谱E（k）~ k^{-3/2}提供解释。
2006-12-21 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
On the Nature of Incompressible Magnetohydrodynamic Turbulence
提出了一个新的不可压缩磁流体动力学湍流模型来解释最近的数值结果。根据所提出的模型，在强外部磁场的存在下，不可压缩磁流体动力学湍流变得非局部的意义上说，低频模式导致相互作用的高频模式从惯性间隔的去相关。结果表明，所获得的非局部谱的惯性范围内的不可压缩磁流体动力学湍流代表各向异性类似的Kraichnan的非局部谱的流体动力学湍流。基于弱耦合近似，这是直接相互作用近似的等效配方之一的框架中进行的分析，它表明，不可压缩磁流体动力学湍流可以是本地和非本地的，因此各向异性的类似物的Kolmogorov和Kraichnan频谱是可实现的不可压缩磁流体动力学湍流。
2007-01-10 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
Evolution of similarity lengths in anisotropic magnetohydrodynamic turbulence
在早期的一篇论文（Wan等人，2012）中，作者指出，如果平行与垂直（相对于$\vB_0$）相似性长度尺度的比率在时间上保持恒定，则在存在均匀平均磁场$\vB_0$的情况下，存在各向异性不可压缩3D磁流体动力学（MHD）湍流的相似性解。这个猜想似乎是一个相当严格的约束动力学的衰减的含能涡MHD湍流。然而，我们在这里表明，使用直接数值模拟，这一假设确实是满足不可压缩MHD湍流。经过一个初始的瞬态周期后，平行与垂直的长度尺度的比值在涡流衰减期间围绕一个稳定值波动。我们进一步表明，泰勒-卡门类似的相似性衰减持有的MHD湍流中存在的平均磁场。不同的参数，包括雷诺数，直流电场强度，和交叉螺旋度，相似性衰减的性质的影响进行了讨论。
2019-06-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
Residual Energy in Magnetohydrodynamic Turbulence
在太阳风观测和数值模拟中有越来越多的证据表明，在磁流体动力学湍流中，动能和磁能并不均分。它们失配的根源，即剩余能量E_r=E_v-E_b，还不很清楚。在目前的工作中，这种效果进行了研究分析，在弱磁流体动力学湍流的制度。我们发现，剩余能量是自发产生的湍流动力学，它有一个负的符号，与观测结果很好地吻合。我们得到了剩余能量在k_||=0，其k_||- 谱线展宽与k_perp成线性关系，其中k_||和k_perp是平行于和垂直于背景磁场的波数，并且剩余能量的场垂直谱在惯性间隔中具有标度E_r（k_perp）\propto k_perp^{-1}。这些结果被发现是与数值模拟。我们建议，剩余能量起着根本性的作用，在阿尔芬湍流，它应该考虑到正确的解释观测和数值资料。
2011-08-29 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Artificial neural network subgrid models of 2-D compressible magnetohydrodynamic turbulence
我们探索了深度学习的适用性，以捕获磁化Kelvin-Helmholtz不稳定性的2-D模拟的亚网格尺度理想磁流体力学湍流的物理学。我们以不同的分辨率进行模拟，以系统地量化神经网络模型的性能，从而重现这些复杂模拟的物理特性。我们比较了我们的神经网络的性能与梯度模型，这是广泛使用的广泛的磁流体动力学文献。我们的研究结果表明，神经网络显着优于梯度模型再现磁流体湍流的影响。据我们所知，这是第一次探索性研究使用深度学习来学习和再现磁流体力学湍流的物理学。
2020-08-26 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
Analysis of cancellation in two-dimensional magnetohydrodynamic turbulence
本文对二维间歇性磁流体动力学湍流进行了有符号测度分析。这种分析被用来描述符号振荡流动结构的标度行为及其几何特性。特别是，它被观察到的结构内部的字段的正面和负面的贡献之间的取消，被抑制的尺度小于泰勒微尺度，并停止附近的耗散规模。此外，从一个简单的几何参数，取消指数和典型的分形维数之间的关系，在流动中的结构得到。
2001-11-23 nlin.CD physics.data-an physics.flu-dyn
Scale interactions in magnetohydrodynamic turbulence
本文综述了磁流体动力学湍流中尺度相互作用的研究进展。当今计算能力的提高，使得能够探索传导流中不同的湍流结构，以及壳到壳传递函数的发展，导致了对速度和磁场之间以及尺度之间的相互作用的详细研究。特别是，诸如感应和发电机作用、由洛伦兹力对速度波动的阻尼或各向异性的发展等过程，可以在不同的尺度上表征。在这方面，我们考虑三种不同的配置，经常在文献中研究：机械强制湍流，自由衰减湍流，和湍流中存在的均匀磁场。每种配置都有不同的地球物理和天体物理应用。每种情况都讨论了当地和非当地的转移。虽然仅动能或仅磁能的尺度之间的转移是局部的，但观察到动能和磁场之间的转移是局部的或非局部的，这取决于配置。本文还对磁螺旋度级联中的尺度相互作用进行了评述。在此基础上，讨论了湍流中常用的小尺度各向同性假设和普适性假设的合理性。
2010-06-09 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
An alternative formulation for exact scaling relations in hydrodynamic and magnetohydrodynamic turbulence
我们提出了一个替代配方的精确关系，在三维均匀湍流使用两点统计。我们的发现说明与不可压缩流体动力学，标准和霍尔磁流体动力学湍流。在该公式中，湍流无粘不变量的级联率可以简单地用混合二阶结构函数表示。除速度${\bf u}$、涡量$ω$、磁场${\bf b}$和电流${\bf j}$等常用变量外，矢量${\bf u } \times {\boldsymbol ω}$、${\bf u} \times {\bf b}$和${\bf j} \times {\bf b}$也对湍流叶栅起着关键作用。目前的方法提供了一个简单的代数形式，这是特别有趣的研究各向异性的空间等离子体，如太阳风，在原则上更快的统计收敛比经典的法律写在三阶振荡器。
2016-11-13 physics.flu-dyn
Dynamic multiscaling in magnetohydrodynamic turbulence
本文首次研究了三维均匀各向同性磁流体（MHD）湍流中随时间变化的速度和磁场结构函数的多尺度性。我们推广的形式主义，已经开发了类似的研究中的流体湍流的时间相关的结构函数的MHD。通过在三维MHD湍流壳模型中对这种随时间变化的结构函数进行详细的数值研究，我们得到了等时标度指数和动态标度指数。
2016-11-05 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.flu-dyn
Acceleration of Particles in Imbalanced Magnetohydrodynamic Turbulence
本文研究了与太阳风问题相关的平衡和不平衡Alfvénic湍流中的试验粒子加速问题。这些湍流状态，通过规定的理想不变量的注入率数值获得，动态演变的粒子。虽然平衡态和非平衡态的能谱是已知的，但对粒子加热的影响是一个有争议的问题，不同的考虑会给出不同的结果。通过进行直接数值模拟，共振和非共振粒子加速度被自动考虑，并考虑正确的湍流相。对于不平衡湍流，带电粒子的加速率降低，加热率减小。这种行为与粒子回转半径无关，尽管具有较强绝热运动（较小回转半径）的粒子倾向于经历较大的加热。
2014-06-30 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
2D2C, 2D3C, 2C2Dcw1C3D, 3D3C, rotating turbulence, thin-layer flows, quasi-static magnetohydrodynamics (QSMHD), and beyond
2D2C、2D3C、2C2Dcw1C3D、3D3C、旋转湍流、薄层流动、准静态磁流体力学（QSMHD）等方面的研究工作还比较多，但本文适时报道了局部和全局2C2Dcw1C3D流动的一些研究，以期促进更智能、更深入的工作。
2018-03-30 nlin.CD physics.flu-dyn physics.geo-ph
Port-Hamiltonian inspired gradient diffusion model for magnetohydrodynamic turbulence
作为不可压缩磁流体力学中理想不变量的非线性谱通量的简化表示，我们构造了一个梯度扩散网络模型，该模型结合了唯象考虑和精确非线性能量传递函数的几何分析。能量守恒谱输运和交叉螺旋度的降阶表示是端口-哈密顿形式，这突出了这种方法的灵活性和模块性。雷诺数高达$~10^6$的数值实验产生了清晰的惯性能谱的幂律特征。根据能量传递的主导时间尺度，观察到Kolmogorov（-5/3），弱湍流（-2）或Iroshnikov-Kraichnan（-3/2）标度指数。平均磁场中的各向异性湍流也被成功地模拟。湍流衰减的特征指数和观测到的交叉螺旋度对能量传递的影响与文献和理论结果一致。
2022-03-22 physics.flu-dyn
On weak and strong magnetohydrodynamic turbulence
最近的数值和观测研究包含相互矛盾的磁流体动力学湍流谱的报告。为了澄清这个问题，我们研究了具有强引导场$B_0$的各向异性不可压缩磁流体动力学湍流。我们在一个特殊的设置，使我们能够阐明弱和强湍流制度之间的过渡减少MHD方程进行数值模拟。表示$k_{\|}$、$k_\perp$和$b_λ$，表示波动的特征平行场和垂直场波数，$b_λ$表示尺度为$λ\sim 1/k_{\perp}$的波动场。我们发现，当满足临界平衡条件$k_{\|}B_0\sim k_{\perp} b_λ$时，湍流较强，能谱为$E(k_{\perp})\propto k^{-3/2}_{\perp}$。随着谱的$k_{\|}$宽度增加，湍流迅速变弱，并且在极限$k_{\|}B_0\gg k_{\perp} b_λ$中，谱接近$E(k_{\perp})\propto k_{\perp}^{-2}$。观测到的光谱对线性和非线性相互作用平衡的敏感性可以解释在这种平衡条件没有得到很好控制的情况下相互矛盾的数值和观测结果。
2007-12-13 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
The Lagrangian frequency spectrum as a diagnostic for magnetohydrodynamic turbulence dynamics
对于磁流体动力学湍流的现象学描述，存在竞争模型，例如Boldyrev [Phys.Rev.Lett. \textbf{96}，115002，2006]和Gogoberidze [Phys.Plas. \textbf{14}，022304，2007]，它们预测湍流能谱的相同欧拉惯性范围标度，尽管它们采用根本不同的基本相互作用机制。{找到了一个关系，它将拉格朗日频谱与湍流波动的自相关时标$τ_\mathrm{ac}$和相关的级联时标$τ_{\mathrm{cas}}$联系起来。因此，拉格朗日能谱可用于识别弱（$τ_\mathrm{ac}\llτ_{\mathrm{cas}}$）和强（$τ_\mathrm{ac}\simτ_{\mathrm{cas}}$）相互作用机制，从而深入了解湍流能量级联。新的方法说明了直接数值模拟的结果，二维和三维不可压缩MHD湍流。
2010-11-25 physics.flu-dyn
Inertial-Range Reconnection in Magnetohydrodynamic Turbulence and in the Solar Wind
关于太阳风的现场航天器数据显示，事件被确定为具有流出和明显的“$X$ -线”$10^{3-4}$倍离子尺度的磁重联。为了理解湍流在这些尺度上的作用，我们在磁流体动力学（MHD）模拟中对惯性范围重联事件进行了案例研究。我们观察到随机漂移的磁力线在空间中，标准的磁通量冻结由于理查森色散的故障，和一个扩大的重联区包含许多电流片。粗颗粒的磁几何形状类似于太阳风中的大尺度重联，然而，双曲线通量管或“$X$ -线”在积分长度尺度上延伸。
2015-03-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Numerical Measurements of the Spectrum in Magnetohydrodynamic Turbulence
我们报告了一组广泛的直接数值模拟强迫，不可压缩，磁流体动力学湍流与强引导场的结果。目的是解决关于场垂直能谱E（k_ \perp）\propto k_ \perp ^ α的幂律指数（比如α）的争论。两个主要的理论预测，α=-3/2和α=-5/3，都得到了不同小组进行的数值模拟的支持。我们的模拟具有512^3网格点的分辨率，强引导场，各向异性模拟域，并实现了广泛的大规模强迫例程，包括文献中先前报道的那些。我们的研究结果表明，具有强引导场的发展良好的强不可压MHD湍流的谱是E（k_{\perp}）\propto k_{\perp} ^{-3/2}。
2007-06-13 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
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
On the Spectrum of Magnetohydrodynamic Turbulence
提出了一个不可压缩磁流体动力学湍流的唯象模型。我们认为，非线性波的相互作用减弱的能量级联进行到小尺度，然而，沿大尺度磁场的波动的各向异性增加，这使得在所有尺度上的湍流强。为了解释相互作用的减弱，我们提出，小规模的波动的速度和磁场变得越来越动态对齐，因为它们的规模减小，使湍流涡旋成为局部各向异性的平面垂直于大规模的磁场。在弱各向异性的极限，即弱的大尺度磁场，我们的模型再现了Goldreich-Sridhar谱，而在强各向异性的极限，即强的大尺度磁场，对应于谱的Iroshnikov-Kraichnan标度。这与最近的数值结果是一致的。
2005-06-17 astro-ph nlin.CD physics.flu-dyn
Chiral Exact Relations for Helicities in Hall Magnetohydrodynamic Turbulence
除了总能量外，三维不可压缩霍尔磁流体力学（MHD）还具有两个无粘不变量：磁螺旋度和广义螺旋度。新的精确关系推导出均匀（非各向同性）固定霍尔MHD湍流（也为它的惯性电子MHD限制）与非零螺旋和大雷诺数的渐近极限。普适定律只以混合二阶结构函数的形式来表示，即两个不同增量的标量积。因此，它提供了相应的不变通量的耗散率的直接测量。研究表明，广义螺旋度级联与左极化涨落密切相关，而磁螺旋度级联与右极化涨落密切相关。
2016-02-01 physics.flu-dyn
Electromotive force due to magnetohydrodynamic fluctuations in sheared rotating turbulence
本文在二阶关联近似下计算了一般小尺度磁流体动力学湍流的平均电动势。为了增进对吸积盘发电机的了解，包括了小尺度磁波动、速度梯度、密度和湍流分层以及旋转所产生的影响。补充数值结果的主要结果是，由于磁场波动引起的非对角湍流电阻率可以产生大规模的发电机作用--“剪切电流”效应的磁模拟。此外，考虑到在盘的分层区域中的$α$效应，给出了一个令人困惑的结果，即对于$α$的符号没有强有力的预测，因为由于动力学和磁波动的效应，以及由于剪切和旋转的效应，每个都是相反的符号，并且倾向于相互抵消。
2015-08-06 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Numerical simulations of strong incompressible magnetohydrodynamic turbulence
磁化等离子体湍流遍布宇宙，可能在各种天体物理环境中发挥重要作用。磁流体动力学（MHD）提供了最简单的理论框架，在其中可以建立湍流动力学的唯象模型。MHD湍流的数值模拟被广泛用于指导和检验理论预测，然而，模拟MHD湍流和精确测量其标度特性是远远不够的。计算能力将计算限制在中等雷诺数，并且经常进行简化假设，以便可以访问更大范围的尺度。在描述了研究强不可压缩MHD湍流的理论预测和数值方法之后，我们提出了一系列高分辨率直接数值模拟的结果。我们讨论的影响，在计算方法的不一致性可以有解决方案和它的物理解释。
2012-02-15 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetic helicity and the evolution of decaying magnetohydrodynamic turbulence
在迄今为止所做的许多单实现数值研究的基础上，本文给出了逆谱传输的围扰平均高分辨率直接数值模拟。这确定了这种类型的光谱转移作为磁流体动力学湍流的统计特性，从而允许可靠的数值探索其动力学。从这些合奏运行的磁能衰减指数已被确定为$n_E = (0.47 \pm 0.03) + (13.9 \pm 0.8)/R_λ$的初始螺旋磁场。我们首次表明，即使在去除了动量方程中的洛伦兹力项，从而使其与感应方程解耦之后，反向光谱传输仍然存在。感应方程现在与外部施加的速度场是线性的，因此适用于许多分析技术。一个新的大门已经打开，分析反向光谱传输，讨论了各种想法。
2014-10-07 astro-ph.CO physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Anisotropic energy transfers in quasi-static magnetohydrodynamic turbulence
我们进行直接的准静态磁流体动力学湍流的数值模拟，并计算各种能量转移，包括环到环和锥形能量转移，和能量通量的垂直和平行分量的速度场。我们表明，具有较高的极角的环转移能量的低极角。对于大的相互作用参数，主要的能量转移发生在赤道附近（极角$θ\approx \fracπ{2}$）。能量传递在波数和角度上都是局部的。垂直分量的能流主要是从高到低的波数（能量的逆级联），而平行分量的能流主要是从低到高的波数（能量的正级联）。我们的结果是一致的与早期的结果，这表明准二维准静态磁流体动力学（MHD）流在高相互作用参数。
2014-12-02 physics.flu-dyn
Energy partition in magnetohydrodynamic turbulence
本文通过分析 MHD 湍流能量方程，给出动能与磁能分配关系，指出其由最大涡旋的磁长度尺度和速度长度尺度之比决定。
2025-06-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Cancellation exponents in isotropic turbulence and magnetohydrodynamic turbulence
湍流的小尺度特征，如速度梯度和涡度，在大小上迅速波动，在符号上振荡。许多工作存在于星等变化的特性，但远远不够的符号振荡。虽然在大尺度上进行的平均由于振荡特性而趋于零，但在越来越小的尺度上进行的平均将以某种特征方式随平均尺度而变化。在高雷诺数下的这种特征变化被所谓的抵消指数所捕获，该指数测量了随着平均尺度在空间或时间上的增加，局部平均值如何趋于抵消。过去的实验工作表明，湍流中的指数取决于人们是否考虑全三维空间中的量，或者使用它们的一维或二维切割。在$8192^3$网格上计算了雷诺数为1300的泰勒尺度下各向同性湍流中涡量和纵向及横向速度梯度的抵消指数。2D切割产生与全3D相同的指数，而1D切割产生较小的数字，这表明更高维度的结果更可靠。我们的情况下，各向同性湍流中的涡丝的存在导致这一结论。这种效应在磁流体动力学湍流中特别明显，其中沿着施加的磁场发展空间相干性的程度增加。
2018-11-07 physics.flu-dyn
Generation of cosmic ray trajectories by a Diffusion Model trained on test particles in 3D magnetohydrodynamic turbulence
该研究受机器学习进展启发，将生成扩散模型应用于合成3D磁流体动力学湍流中的测试粒子轨迹，在固定粒子能量下与基线轨迹一致性优异，并讨论了构建应用级输运模型的挑战。
2025-02-10 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.flu-dyn
Direct Numerical Simulations of Three-dimensional Magnetohydrodynamic Turbulence with Random, Power-law Forcing
我们提出了伪谱直接数值模拟（DNS）研究的三维磁流体动力学（MHD）方程（3DRFMHD）的随机力，具有零均值和方差$\sim k^{-3}$，其中$k$是波数，因为3DRFMHD用于在MHD湍流的能量谱标度的场论研究。我们得到的速度和磁场谱和结构函数，并从这些，多尺度指数比$ζ_p/ζ_3$，通过使用扩展的自相似性（ESS）程序。这些指数比位于误差范围内的对应传统的三维MHD湍流（3DMHD）。然后，我们通过检查各种概率分布函数（PDF），联合PDF和的等值面，例如，三种磁普朗特数${\rm Pr_M} = 0.1,~1$和$10$的涡量模量和电流密度。
2020-11-06 physics.flu-dyn
Turbulent Drag Reduction in Magnetohydrodynamic Turbulence and Dynamo from Energy Flux Perspectives
在这篇综述中，我们描述了湍流减阻在各种流动中使用的通用框架的能量通量。在具有稀聚合物和磁场的湍流中，在大尺度下注入的动能级联到中间尺度下的速度场，以及级联到所有尺度下的聚合物和磁场。因此，与纯流体动力学湍流相比，动能通量$ Π_u(k) $被抑制。我们认为，抑制$Π_u(k)$是一个重要因素，在减少的惯性力$\langle {\bf u \cdot \nabla u} \rangle$和\textit{turbulent drag}。在聚合物、磁流体动力学、准静态磁流体动力学、稳定分层湍流和发电机中观察到湍流减阻的这种特征。此外，它表明，湍流减阻热对流是由于光滑的热板，类似的湍流减阻的钝体。在所有这些流动中，湍流减阻常常导致流动中的强的大尺度速度。
2022-12-29 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Reynolds-number dependence of the dimensionless dissipation rate in homogeneous magnetohydrodynamic turbulence
本文研究了在外力作用下，定常和非定常磁流体（MHD）湍流的无量纲耗散率$C_{\varepsilon}$的行为。结合前人对自由衰减MHD湍流的研究，本文得到了适用于均匀MHD湍流的最一般的$C_{\varepsilon}$模型方程，并对单位磁普朗特数下无量纲总能量耗散率随雷诺数的变化进行了全面的数值研究。我们进行了一系列中高分辨率的直接数值模拟机械强制固定MHD湍流，以验证模型方程的预测固定的情况下。此外，非普适性的问题进行了讨论的外力的影响，以及交叉和磁螺旋度的水平。渐近线$C_{\varepsilon,\infty}$的测量值位于自由衰变的$0.193 \leqslant C_{\varepsilon,\infty} \leqslant 0.268$之间，其中该值取决于交叉和磁螺旋度的初始水平。在平稳的情况下，我们测量$C_{\varepsilon,\infty} = 0.223$。
2017-01-04 astro-ph.CO astro-ph.SR physics.flu-dyn
Small-scale magnetohydrodynamic dynamos: from deterministic chaos to turbulence
本研究借助数值模拟、地球物理及太阳观测，揭示小尺度MHD发电机磁场从确定性混沌到强湍流的随机化转变机制，用分布式混沌参数量化随机程度，发现磁流体不变量的调控作用，且模拟与观测定量吻合。
2024-06-25 physics.flu-dyn
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
Long-term memory in experiments and numerical simulations of hydrodynamic and magnetohydrodynamic turbulence
我们分析时间序列源于实验和直接数值模拟的流体动力学和磁流体动力学湍流。模拟是在周期性的盒子里进行的，但是选择了一个体积强迫来模拟实验中流动的几何形状，两个反向旋转的叶轮之间的冯卡门旋流。模拟中的参数被选择为（在计算限制内）允许实验和数值结果之间的比较。在所有情况下都考虑导电流体。两种不同的配置被认为是：一个案件与弱的外部施加的磁场，并与自持磁场的情况下。长期记忆和$1/f$噪声的证据在实验和模拟中观察到，在与冯卡门流中剪切层的流体动力学行为相关的弱磁场的情况下，和在与大尺度磁场的慢磁流体动力学行为相关的发电机的情况下。
2014-01-22 physics.flu-dyn
Residual energy in magnetohydrodynamic turbulence and in the solar wind
最近的观测表明，在太阳风湍流中，动能和磁能并不均分。相反，磁波动更有能量，并且与速度波动相比具有稍微陡峭的能谱。这就导致在湍流惯性区间内存在所谓的剩余能量E_r=E_v-E_b。本文在弱湍流理论的框架下讨论了这一令人困惑的效应。利用一个简单的弱碰撞阿尔文波模型，我们证明了动力学-磁均分确实由于阿尔文波的非线性相互作用而被打破。我们确定，作为这些相互作用的结果，磁能确实更有效地产生，这为太阳风的观测提出了一个解释。
2011-08-30 astro-ph.GA nlin.CD physics.flu-dyn
Exact Relation with Two-point Correlation Functions and Phenomenological Approach for Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence
在统计均匀性假设下，在大的运动和磁雷诺数的渐近极限下，分析了可压缩等温磁流体动力学湍流。在Kolmogorov之后，我们导出了一些两点关联函数的精确关系，它推广了最近发现的流体力学表达式。我们表明，磁场带来了新的源和通量项的动力学可能会对惯性范围类似的源或汇的平均能量传输率。均匀磁场的引入大大简化了可以给出简单现象学的精确关系。最后提出了轴对称能谱的预测。
2013-01-11 astro-ph.SR physics.flu-dyn
TURB-MHD: an open-access database of forced homogeneous magnetohydrodynamic turbulence
TURB-MHD数据库提供了强制均匀磁流体动力学湍流的数据集，用于研究总能量 cascade 和部分逆动能 cascade 的现象。
2025-12-14 physics.flu-dyn
Supertransient magnetohydrodynamic turbulence in Keplerian shear flows
本文用统计方法研究了磁化开普勒剪切流的亚临界湍流转捩。采用零净磁通量的剪切盒方程的三维数值模拟来确定从衰减到持续湍流的转变作为磁雷诺数Rm的函数。结果表明，没有明确的过渡到持续的湍流的平均寿命的瞬变增长作为一个指数函数的Rm，按照II型超瞬态法。
2010-06-29 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Influence of a large-scale field on energy dissipation in magnetohydrodynamic turbulence
在磁流体动力学（MHD）湍流中，大尺度磁场为小尺度动力学设定了一个优选的局部方向，改变了各向同性情况下的湍流统计。即使在没有总磁通量的情况下也会发生这种情况，因为MHD湍流形成随机取向的大尺度强磁场域。因此，研究小尺度磁等离子体湍流的习惯是假设一个相对于湍流涨落的强背景磁场。例如，这是在等离子体的简化模型中完成的，例如简化MHD、降维动力学模型、陀螺动力学等，这使得理论计算更容易并且数值计算更便宜。然而，最近已经清楚的是，湍流能量耗散集中在强磁场变化的区域。相当一部分的能量耗散可能局限于非常小的体积中，对应于强磁化畴之间的边界。在这些区域，简化模型不适用。这对磁等离子体湍流中粒子加热和加速的研究具有重要意义。本文的目的是系统地研究局部磁场变化与磁能量耗散之间的关系，并了解其对模拟真实湍流等离子体中能量耗散的影响。
2017-03-09 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Two-dimensional magnetohydrodynamic turbulence with large and small energy-injection length scales
二维磁流体动力学（2D MHD），被迫在（a）大的长度尺度或（b）小的长度尺度，显示湍流，但统计稳定的状态，具有广泛不同的统计特性。我们提出了一个系统的，比较研究这两种情况（a）和（b），通过使用直接数值模拟（DNSs）。我们发现，在情况（a）中，磁场和速度场之间存在能量均分，而在情况（b）中，这种均分不存在。通过计算各种概率分布函数（PDF），我们表明，情况（a）显示的极端事件，在情况（b）中不太常见。
2019-03-26 nlin.CD physics.flu-dyn
Examination of the four-fifths law for longitudinal third-order moments in incompressible magnetohydrodynamic turbulence in a periodic box
本文利用无均匀磁场作用下的三维受迫不可压缩磁流体（MHD）湍流的直接数值模拟数据，研究了三阶纵向矩的五分之四定律。磁性普朗特数设置为1，网格点数为$512^3$。本文通过在$\textbf{r}$方向上作球平均，将各向同性MHD湍流中二阶速度矩的广义Kármán-Howarth-Kolmogorov方程推广到各向异性MHD湍流。这里，$\textbf{r}$是分离载体。对广义方程中的粘性项、强迫项、各向异性项和非定常项进行了量化。结果表明，与粘性项相比，各向异性项对五分之四定律的影响在小尺度下可以忽略不计。然而，方向各向异性的影响，这是衡量偏离的三阶矩在一个特定的方向$\textbf{r}$从球平均的，对五分之四的法律建议是实质性的，至少在这里研究的情况下。
2020-06-23 physics.flu-dyn
Scalings of intermittent structures in magnetohydrodynamic turbulence
湍流在等离子体中无处不在，导致了以不规则性、不可逆性、跨许多尺度的能量波动和跨许多尺度的能量传递为特征的丰富的动力学。湍流的另一个基本和普遍的特征是能量在空间和时间上的不均匀耗散，尽管有时被忽视。这是由湍流级联中的波动引起的尺度相关的动力学不均匀性的结果。间歇性导致湍流等离子体自组织成相干耗散结构，这可能会控制加热，扩散，粒子加速和辐射发射。本文介绍了在强引导场作用下不可压磁流体动力学湍流中磁不稳定性研究的最新进展。我们专注于间歇性耗散结构的统计分析，它占据了体积的一小部分，但可以说占了大部分的能量耗散。我们表明，在我们的数值模拟中，在电流密度，涡度和Elsässer涡度的间歇结构都具有几乎相同的统计特性。我们提出了基于Elsässer涡度结构的一般考虑的标度的唯象解释。最后，我们研究了天体物理系统的更广泛的影响。
2016-02-17 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
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
Supertransient Magnetohydrodynamic Turbulence in Keplerian Shear Flows: The role of the Hall Effect
空间和天体物理等离子体经常出现在差动旋转状态，在这种状态下，磁场的存在会导致磁旋转不稳定性，直接导致吸积盘中的湍流角动量输运等重要现象。在没有外加磁场的情况下，非线性发电机是发生这种传输机制所必需的。在原行星盘中，存在高密度和极低温度的区域，这是霍尔效应发挥作用的两个必要条件，影响发电机和相关湍流的发展。在这项工作中，我们进行了本地磁流体动力学（MHD）模拟研究过渡到弱湍流的开普勒剪切流与霍尔效应。的霍尔效应导致系统的长寿湍流瞬变的衰减时间遵循指数依赖于磁雷诺数和霍尔参数。
2018-11-29 astro-ph.EP nlin.CD physics.flu-dyn
