超高解像度電磁流体力学シミュレーションで迫る降着円盤乱流の微小スケール特性

超高分辨率磁流体动力学模拟揭示了吸积盘湍流的微观特征

• 批准号: 20K14509
• 负责人: 川面 洋平
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K14509/
• 关键词: ブラックホール; 降着円盤; プラズマ乱流; 電磁流体力学; プラズア乱流; プラズマ; 乱流

2022年度は、富岳を用いて史上最高解像度の磁気回転乱流シミュレーションに成功した。これまでの最高解像度は1024×1024×512グリッドであったが、今回4096×4096×2048グリッドまで到達することができた。その結果、運動エネルギーのスペクトルは波数の-3/2乗、磁場エネルギーは-5/3乗よりやや急峻になることが分かった。Cho & Lazarianによる手法を用いて、得られた乱流揺動を局所背景磁場に平行な成分と垂直な成分に分解することで、Alfven的成分と擬Alfven的成分それぞれのスペクトルを求めた。擬Alfven波は遅い磁気音波の高ベータ極限に相当する。こうして得られたスペクトルは、以前我々が簡約化磁気流体力学を用いて得た乱流スペクトル(Kawazura et al., J. Plasma Phys. 2022)と類似していることが明らかになった。この結果は、降着円盤おける簡約化磁気流体力学の妥当性を示唆しており、今後簡約化ドリフト運動論などに発展させることできることを期待させるものである。また、これ以外にも、波数のスケール依存非等方性が Goldreich & Sridharの予測である(平行方向波数) ~ (垂直方向波数)^2/3を満たすことや、非線形エネルギー伝達が局所的になることなどが明らかとなった。一方で、磁場エネルギーのスペクトルと運動エネルギーのスペクトルが一致するスケールまでは解像出来ておらず、従来のMHD乱流理論との対応が明確に取れていない。2023年度はさらなる高解像度計算を目指し、磁場エネルギーのスペクトルと運動エネルギーのスペクトルが一致を目指す。

在2022年，我们成功地进行了磁旋转湍流模拟，使用Fugaku的分辨率最高。到目前为止，最高分辨率是1024 x 1024 x 512网格，但这次我们能够达到4096 x 4096 x 2048网格。结果，发现动能谱比-3/2平方波数稍陡，并且磁场能比-5/3功率稍陡。使用Cho＆Lazarian技术，将所得的湍流波动分解为平行于局部背景磁场并垂直于局部背景磁场的组件，并确定了Alfven和Pseudoalfven组件的光谱。假磁波对应于慢磁声波的高β极限。发现这样获得的光谱与先前使用简化的磁性流动力学获得的湍流相似（Kawazura等，J。PlasmaPhys。2022）。该结果表明，简化的磁性水力动力学在积聚磁盘中的有效性，并希望将来可以将其发展为简化的漂移动力学理论。另外，已经揭示了波数的尺度依赖性各向异性满足了Goldreich＆Sridhar（平行象征）的预测（垂直波数）^2/3，并且非线性能量转移变为局部。另一方面，无法清楚地了解磁场能和动能频谱的量表，而与传统的MHD湍流理论的对应关系不清楚。在2023财年，我们旨在实现更高的分辨率计算，并旨在将磁场能谱与动能谱匹配。

项目成果

簡約化電磁流体力学を用いた磁気回転乱流におけるAlfven的揺動と圧縮的揺動のデカップリングの解析

使用简化磁流体动力学分析磁旋转湍流中阿尔夫文和压缩涨落的解耦

• 发表时间: 2021
• 作者: 川面洋平;Alexander Schekochihin;Michael Barnes;William Dorland;Steven Balbus
• 通讯作者: Steven Balbus

2次元分割擬スペクトル法コードCalliopeによる超高解像度MRI乱流シミュレーション

使用二维分裂伪谱方法代码 Calliope 进行超高分辨率 MRI 湍流模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: 川面洋平;Alexander Schekochihin;Michael Barnes;William Dorland;Steven Balbus;Y. Kawazura;川面洋平
• 通讯作者: 川面洋平

天体プラズマ乱流中のイオンと電子の加熱配分に関する研究

天文等离子体湍流中离子和电子的热分布研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Takuya Umayahara;Takatoshi Shibuya;Noriaki Miura;Yu-Yen Chang;Seiji Fujimoto;Yuichi Harikane;Ryo Higuchi;Shigeki Inoue;Takashi Kojima;Ken-ichi Tadaki;Yoshiki Toba;川面洋平
• 通讯作者: 川面洋平

MRI乱流におけるAlfveen的揺動と圧縮的揺動の散逸比

MRI 湍流中类阿尔文波动和压缩波动的耗散比

• 发表时间: 2020
• 作者: 川面洋平;A. Schekochihin;M. A. Barnes;W. Dorland;S. A. Balbus
• 通讯作者: S. A. Balbus

Integrating Factor Runge-Kutta Method in Shearing Coordinates

剪切坐标中的积分因子龙格-库塔法

• DOI: 10.7566/jpsj.91.115002
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Physical Society of Japan
• 影响因子: 1.7
• 作者: Kawazura Y.;Schekochihin A.A.;Barnes M.;Dorland W.;Balbus S.A.;Kawazura Yohei
• 通讯作者: Kawazura Yohei