Reynolds number dependence of Lagrangian dispersion in direct numerical simulations of anisotropic magnetohydrodynamic turbulence
Reynolds number dependence of Lagrangian dispersion in direct numerical simulations of anisotropic magnetohydrodynamic turbulence
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各向异性磁流体动力湍流直接数值模拟中拉格朗日色散的雷诺数依赖性
DOI：
10.1017/jfm.2022.434
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发表时间：
2022
影响因子：
3.7
通讯作者：
Müller, W.-C.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Pratt, J.;Busse, A.;Müller, W.-C.
大尺度磁场穿过行星际和星际介质、恒星内部和其他天体物理等离子体的导电物质，产生具有高雷诺数湍流区域的各向异性流。通常会遇到由强度约等于磁波动均方根的磁场构成的湍流。在这项工作中，对受这种磁场影响的各向异性磁流体动力学（MHD）湍流的直接数值模拟是在一系列具有相同分辨率的情况下进行的，并将网格尺寸增加到 .结果是在雷诺数从 1400 到 21,000 的范围内进行了一系列密切可比的模拟。我们通过跟踪流体粒子并计算单粒子和双粒子统计数据，从拉格朗日的角度研究雷诺数的影响。在这些统计中讨论了阿尔夫涨落和基本各向异性对 MHD 湍流的影响。单粒子扩散曲线表现出轻微的超扩散行为，其在与磁场对齐的方向和垂直于磁场的方向上有所不同。竞争对准过程影响粒子对的色散，特别是在时间尺度的惯性子范围的开始处。相对色散的标度在雷诺数较大的惯性子范围内变得更加清晰，可以观察到比理查森预测所示的更陡峭。
Large-scale magnetic fields thread through the electrically conducting matter of the interplanetary and interstellar medium, stellar interiors and other astrophysical plasmas, producing anisotropic flows with regions of high-Reynolds-number turbulence. It is common to encounter turbulent flows structured by a magnetic field with a strength approximately equal to the root-mean-square magnetic fluctuations. In this work, direct numerical simulations of anisotropic magnetohydrodynamic (MHD) turbulence influenced by such a magnetic field are conducted for a series of cases that have identical resolution, and increasing grid sizes up to . The result is a series of closely comparable simulations at Reynolds numbers ranging from 1400 up to 21 000. We investigate the influence of the Reynolds number from the Lagrangian viewpoint by tracking fluid particles and calculating single-particle and two-particle statistics. The influence of Alfvénic fluctuations and the fundamental anisotropy on the MHD turbulence in these statistics is discussed. Single-particle diffusion curves exhibit mildly superdiffusive behaviours that differ in the direction aligned with the magnetic field and the direction perpendicular to it. Competing alignment processes affect the dispersion of particle pairs, in particular at the beginning of the inertial subrange of time scales. Scalings for relative dispersion, which become clearer in the inertial subrange for a larger Reynolds number, can be observed that are steeper than indicated by the Richardson prediction.
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