Transición a Equilibrio y Estructura Coherente en Turbulencia MHD Ideal, Parte 2
Autores: Shebalin, John V.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Transición a Equilibrio y Estructura Coherente en Turbulencia MHD Ideal, Parte 2
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Estudio
Equilibrio
Turbulencia
MHD
Estructuras coherentes
Rotación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Continuamos nuestro estudio de la transición de la turbulencia magnetohidrodinámica (MHD) ideal, homogénea e incomprensible desde condiciones iniciales de no equilibrio hacia el equilibrio, utilizando simulaciones numéricas a largo plazo en una cuadrícula periódica de 1283. Se utiliza un método de transformada espectral de Fourier para integrar numéricamente las ecuaciones dinámicas hacia adelante en el tiempo. Las seis simulaciones que previamente llegaron a un casi equilibrio se extienden aquí hacia el equilibrio. Como antes, despreciamos la disipación ya que nos preocupa principalmente el comportamiento en la escala más grande, donde se ha demostrado que este comportamiento es esencialmente el mismo para la turbulencia MHD ideal y real (forzada y disipativa). Estas seis simulaciones tienen varias combinaciones de rotación impuesta y campo magnético medio y representan los cinco casos de turbulencia MHD ideal, homogénea e incomprensible: Caso I (Simulación 1), sin rotación ni campo medio; Caso II (Simulaciones 2a y 2b), donde solo se impone la rotación; Caso III (Simulación 3), que tiene solo un campo magnético medio; Caso IV (Simulación 4), donde el vector de rotación y la dirección del campo magnético medio están alineados; y Caso V (Simulación 5), que tiene direcciones de vector de rotación y campo medio no alineadas. La mecánica estadística predice que los coeficientes dinámicos de Fourier son variables aleatorias de media cero, pero emergen estructuras magnéticas coherentes de gran escala y se manifiestan como coeficientes de Fourier con valores medios muy grandes y cuasi-estables en comparación con sus desviaciones estándar, es decir, hay "ergodicidad rota". Estas estructuras magnéticas coherentes aparecieron en todos los casos durante la transición hacia el casi equilibrio. Aquí, informamos que, a medida que se continuaron las simulaciones, estas estructuras coherentes permanecieron cuasi-estables y energéticas solo en los Casos I y II, mientras que el Caso IV mantuvo su estructura coherente pero a una energía comparativamente baja. Las estructuras coherentes que aparecieron en la transición en los Casos III y V se vieron colapsar a medida que sus simulaciones asociadas se extendieron hacia el equilibrio. La creación de estructuras magnéticas coherentes de gran escala parece ser un proceso de dínamo inherente a la turbulencia MHD ideal, particularmente en los Casos I y II, es decir, aquellos casos más pertinentes a planetas y estrellas. Además, la teoría estadística de la turbulencia MHD ideal ha demostrado aplicarse a la escala más grande, incluso cuando se incluyen la disipación y la forzación. Esto, junto con el descubrimiento y la explicación de la ergodicidad dinámica rota, es esencialmente una solución al "problema del dínamo".
Descripción
Continuamos nuestro estudio de la transición de la turbulencia magnetohidrodinámica (MHD) ideal, homogénea e incomprensible desde condiciones iniciales de no equilibrio hacia el equilibrio, utilizando simulaciones numéricas a largo plazo en una cuadrícula periódica de 1283. Se utiliza un método de transformada espectral de Fourier para integrar numéricamente las ecuaciones dinámicas hacia adelante en el tiempo. Las seis simulaciones que previamente llegaron a un casi equilibrio se extienden aquí hacia el equilibrio. Como antes, despreciamos la disipación ya que nos preocupa principalmente el comportamiento en la escala más grande, donde se ha demostrado que este comportamiento es esencialmente el mismo para la turbulencia MHD ideal y real (forzada y disipativa). Estas seis simulaciones tienen varias combinaciones de rotación impuesta y campo magnético medio y representan los cinco casos de turbulencia MHD ideal, homogénea e incomprensible: Caso I (Simulación 1), sin rotación ni campo medio; Caso II (Simulaciones 2a y 2b), donde solo se impone la rotación; Caso III (Simulación 3), que tiene solo un campo magnético medio; Caso IV (Simulación 4), donde el vector de rotación y la dirección del campo magnético medio están alineados; y Caso V (Simulación 5), que tiene direcciones de vector de rotación y campo medio no alineadas. La mecánica estadística predice que los coeficientes dinámicos de Fourier son variables aleatorias de media cero, pero emergen estructuras magnéticas coherentes de gran escala y se manifiestan como coeficientes de Fourier con valores medios muy grandes y cuasi-estables en comparación con sus desviaciones estándar, es decir, hay "ergodicidad rota". Estas estructuras magnéticas coherentes aparecieron en todos los casos durante la transición hacia el casi equilibrio. Aquí, informamos que, a medida que se continuaron las simulaciones, estas estructuras coherentes permanecieron cuasi-estables y energéticas solo en los Casos I y II, mientras que el Caso IV mantuvo su estructura coherente pero a una energía comparativamente baja. Las estructuras coherentes que aparecieron en la transición en los Casos III y V se vieron colapsar a medida que sus simulaciones asociadas se extendieron hacia el equilibrio. La creación de estructuras magnéticas coherentes de gran escala parece ser un proceso de dínamo inherente a la turbulencia MHD ideal, particularmente en los Casos I y II, es decir, aquellos casos más pertinentes a planetas y estrellas. Además, la teoría estadística de la turbulencia MHD ideal ha demostrado aplicarse a la escala más grande, incluso cuando se incluyen la disipación y la forzación. Esto, junto con el descubrimiento y la explicación de la ergodicidad dinámica rota, es esencialmente una solución al "problema del dínamo".