Zonostrophic instabilities in magnetohydrodynamic Kolmogorov flow
Zonostrophic instabilities in magnetohydrodynamic Kolmogorov flow
复制标题
磁流体动力柯尔莫哥洛夫流中的带营养不稳定性
DOI：
10.1080/03091929.2023.2268817
复制
发表时间：
2023
影响因子：
1.3
通讯作者：
Algatheem A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Algatheem A
在地球物理学和天体物理学的流体力学中，一个经典的稳定性问题是柯尔莫哥洛夫流，一个单向的纯正弦速度场，这里写为u=（0，sin φ x）。在开始时，不稳定性表现为大尺度的横向流动，换句话说，在x方向流动，在y方向有一个小波数。这类似于被称为层转不稳定性的现象，在模拟地球物理和行星系统的随机强迫流体流动的许多例子中发现。本文研究了外加磁场的影响，特别是y方向的“垂直”磁场和anx方向的“水平”磁场。线性稳定性问题被截断为确定有限矩阵的特征值的数值，允许探索的不稳定性增长率作为一个函数的波数在y方向和布洛赫波数在thex方向，与。在平行，渐近近似的发展，有效的限制，使用矩阵特征值摄动理论。结果表明，强大的抑制流体动力学Kolmogorov流不稳定性的施加磁场从零开始增加。然而，随着越来越多，不稳定的进一步分支变得明显。对于垂直场，当磁普朗特数增大时，存在不稳定阿尔芬波的强场分支，正如最近由A.E.弗雷泽，I.G.克雷斯韦尔和P.Garaud（J.Fluid Mech.949，A43，2022），以及另一个分支，用于存在附加的强加x方向的流体流。在水平磁场下，随着磁场强度的增加，出现了场驱动的撕裂模不稳定性的分支。上述的不稳定性是存在的布洛赫波数，然而，允许λ为非零引起的不稳定性的情况下，水平场的进一步分支。在某些情况下，即使当系统是流体动力学稳定的任意弱磁场可以给增长模式，通过不稳定性发生在大尺度上。详细的比较之间的理论smallkand的，数值结果。
A classic stability problem relevant to many applications in geophysical and astrophysical fluid mechanics is that of Kolmogorov flow, a unidirectional purely sinusoidal velocity field written here as u=(0,sinx) in the infinite-plane. Near onset, instabilities take the form of large-scale transverse flows, in other words flows in thex-direction with a small wavenumberkin they-direction. This is similar to the phenomenon known as zonostrophic instability, found in many examples of randomly forced fluid flows modelling geophysical and planetary systems. The present paper studies the effect of incorporating a magnetic field, in particular ay-directed “vertical” field or anx-directed “horizontal” field. The linear stability problem is truncated to determining the eigenvalues of finite matrices numerically, allowing exploration of the instability growth ratepas a function of the wavenumberkin they-direction and a Bloch wavenumber ℓ in thex-direction, with. In parallel, asymptotic approximations are developed, valid in the limits,, using matrix eigenvalue perturbation theory. Results are presented showing the robust suppression of the hydrodynamic Kolmogorov flow instability as the imposed magnetic fieldis increased from zero. However with increasing, further branches of instability become evident. For vertical field there is a strong-field branch of destabilised Alfvén waves present when the magnetic Prandtl number, as found recently by A.E. Fraser, I.G. Cresswell and P. Garaud (J. Fluid Mech.949, A43, 2022), and a further branch forin the presence of an additional imposedx-directed fluid flow. For horizontal magnetic field, a branch of field-driven, tearing mode instabilities emerges asincreases. The above instabilities are present for Bloch wavenumber; however allowing ℓ to be non-zero gives rise to a further branch of instabilities in the case of horizontal field. In some circumstances, even when the system is hydrodynamically stable arbitrarily weak magnetic fields can give growing modes, via the instability taking place on large scales inxandy. Detailed comparisons are given between theory for smallkand ℓ, and numerical results.
登录
查看更多内容
二维磁流体动力学中的大规模不稳定性
DOI：
--
发表时间：
1998
期刊：
Physical review. E, Statistical physics, plasmas, fluids, and related interdisciplinary topics
影响因子：
--
作者：
Boffetta;Celani;Prandi
通讯作者：
Prandi
影响因子：
2.8
作者：
D. Gough;T. Sekii
通讯作者：
D. Gough;T. Sekii
地带性不稳定
DOI：
--
发表时间：
2011
期刊：
影响因子：
--
作者：
K. Srinivasan;W. Young
通讯作者：
W. Young
DOI：
10.1088/1742-6596/1100/1/012003
发表时间：
2018
期刊：
Journal of Physics: Conference Series
影响因子：
--
作者：
S. Boldyrev;N. Loureiro
通讯作者：
N. Loureiro
DOI：
--
发表时间：
2014
期刊：
影响因子：
--
作者：
J. Parker;J. Krommes
通讯作者：
J. Krommes