A new scenario of dust growth in protoplanetary disks explored through large-scale direct numerical simulations of turbulence

通过大规模湍流直接数值模拟探索原行星盘中尘埃生长的新场景

• 批准号: 20H01948
• 负责人: 石原 卓
• 金额: $ 10.82万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 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-20H01948/
• 关键词: 原始惑星系円盤; ダスト粒子; 乱流; 大規模シミュレーション; 微惑星形成; ダスト成長; 大規模直接数値計算

原始惑星系円盤のダスト成長の新シナリオ構築のため乱流の大規模直接数値計算（DNS）を活用した研究を進めている。本研究では高レイノルズ数の乱流 (格子点数4096の3乗、Re=36500) のDNSにおいて、膨大な数（2048の3乗個×慣性の大きさの異なる8種類）の慣性粒子の運動を追跡し、渦度の強さと慣性粒子の付着率に負の相関があることを確認し、渦から弾き出された場所でダストの低速衝突が起きうることを示唆する結果を得た。衝突相対速度が大きいため付着率が小さいと思われていたサイズの大きい粒子ほど、この相関が特に強いことから慣性の大きい粒子が渦から弾き出されて集中する非アクティブ領域においてダストが寡占的に成長する可能性が示唆された。そこで、付着成長が進む領域において慣性粒子の運動を解析した結果、乱流による慣性粒子のクラスタリング効果によって、粒子密度が最大で平均の数十倍になり、低速での衝突数が多い領域が存在することが分かった。また、高レイノルズ数乱流では渦クラスタ構造が形成され、その内外での渦度の強さによる領域の二極化が進んでいることを確認した。そして、高レイノルズ数乱流の渦度の小さい領域における粒子の運動では特に系全体の付着率に比べ、かなり高い付着率が得られること、および、このような領域では、付着成長して大きくなった粒子の増加率が高く、粒子が寡占的に成長する可能性が高いことが分かった。なお、乱流による慣性粒子のクラスタリング効果で渦度の小さい領域に一旦集中した粒子はその後の相対拡散が、平均的な相対拡散より抑制されることを示す結果を乱流DNSによる粒子の時系列データの解析から得ている。

Original and confused has drifted back towards ¥ disk galaxies の ダ ス ト の the new シ ナ リ オ build の た め turbulence の mass directly the numerical calculation (DNS) を use し を た research into め て い る. This study で レ high レ ノ ノ ズ number of turbulence (4096 grid points, 3乗, Re= 36,500) の DNS に お い て, expands な number (2048 の 3 乗 x inertia の き さ の different な る 8 species) の inertial particles moving の を tracing し, strong vorticity の さ と の pay rate of the inertial particles に negative の phase masato が あ る こ と を confirm し, vortex か ら 弾 き out さ れ た places で ダ ス ト の low-speed conflict since が き う る こ と を in stopping す た を る results. Conflict phase velocity seaborne が big き い た め pay rate が small さ い と think わ れ て い た サ イ ズ の big き い particle ほ ど, こ の phase masato が, strong に い こ と か ら large inertia の き い particle が vortex か ら 弾 き out さ れ て concentrated す る non ア ク テ ィ ブ field に お い て ダ ス ト が oligopolistic に growth す が る possibility in stopping さ れ た. そ こ で, pay growth が into む に お い て inertial particles moving の を parsing し た results, turbulence に よ る inertial particles の ク ラ ス タ リ ン グ unseen fruit に よ っ て が, particle density maximum average で の dozens of times に な り, low-speed で conflict の several が が い field more す る こ と が points か っ た. ま た, high レ イ ノ ル ズ number turbulence で は vortex ク ラ ス が タ structure formation さ れ, そ の inside and outside で の vorticity の strong さ に よ の two polarization が る field into ん で い る こ と を confirm し た. そ し て, high レ イ ノ ル ズ number turbulence の vorticity の small さ い field に お け る particles moving の で は, に に all の pay the rate than べ, か な り high い pay the rate が ら れ る こ と, お よ び, こ の よ う な field で は, pay the growth し て big き く な っ た の raised rates high が く, particles が oligopolistic に す growth likely が る い こ と か が points Youdaoplaceholder0. な お, turbulence に よ る inertial particles の ク ラ ス タ リ ン グ unseen fruit で vorticity の small さ に い field once concentrated し た particle は そ の の phase after scattered が company polices, the average company, seaborne な phase よ り inhibit さ れ る こ と を す results indicated を turbulence DNS に よ る particles の series デ ー タ の parsing か ら must て い る.

项目成果

原始惑星系円盤における乱流とダスト成長

原行星盘中的湍流和尘埃生长

• 发表时间: 2022
• 作者: 河原昌平;梅村雅之;石原卓
• 通讯作者: 石原卓

一様等方性圧縮等温乱流の直接数値シミュレーション

均匀各向同性压缩等温湍流的直接数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: 元塚 博貴;櫻井 幹記;石原 卓
• 通讯作者: 石原 卓

宇宙物理における乱流現象解明のための計算科学 ー原始惑星系円盤乱流中のダスト成長ー

阐明空间物理学中的湍流现象的计算科学 - 原行星盘湍流中的尘埃生长 -

• 发表时间: 2021
• 作者: 有賀麻貴;福井康雄;佐野栄俊;早川貴敬;立原研悟;井上剛志;Gavin Rowell;Sabrina Einecke;星野 亮;池田思朗;石原 卓
• 通讯作者: 石原 卓

乱流の大規模DNSを用いた大気汚染物質拡散データベースの構築

利用大规模湍流DNS构建空气污染物扩散数据库

• 发表时间: 2020
• 作者: Ando Hiroki;Fujisawa Yukiko;Sugimoto Norihiko;Takagi Masahiro;Matsuda Yoshihisa;池田思朗;梅畑豪紀;石原 卓
• 通讯作者: 石原 卓

Delft University of Technology(オランダ)

代尔夫特理工大学（荷兰）