[論文レビュー] Non-axisymmetric wind-accretion simulations I. Velocity gradients of 3% and 20% over one accretion radius

M. Ruffert|arXiv (Cornell University)|May 14, 1996

Wind and Air Flow Studies被引用数 30

ひとこと要約

本研究は、3%および20%の速度勾配（1つの降着半径あたり）を有する非軸対称風降着の高解像度3次元流体ダイナミクスシミュレーションを、Piecewise Parabolic Method (PPM) およびネストドグリッドを用いて初めて実施した。降着された単位質量あたりの角運動量は、解析的推定値の7%〜70%に達するが、勾配が大きいほど揺らぎが増加し、軸対称の場合と比較して角運動量降着効率が低下することが判明した。

ABSTRACT

We investigate the hydrodynamics of a variant of classical Bondi-Hoyle-Lyttleton accretion: a totally absorbing sphere moves at various Mach numbers (3 and 10) relative to a medium, which is taken to be an ideal gas having a velocity gradient (of 3% or 20% over one accretion radius) perpendicular to the relative motion. We examine the influence of the Mach number of the flow and the strength of the gradient upon the physical behaviour of the flow and the accretion rates of the angular momentum in particular. The hydrodynamics is modeled by the ``Piecewise Parabolic Method'' (PPM). The resolution in the vicinity of the accretor is increased by multiply nesting several grids around the sphere. Similarly to the 3D models without gradients published previously, models exhibit non-stationary flow patterns, although the Mach cone remains fairly stable. The accretion rates of mass, linear and angular momenta do not fluctuate as strongly as published previously for 2D models, but similarly to the 2D models, transient disks form around the accretor that alternate their direction of rotation with time. The average specific angular momentum accreted is roughly between 7% and 70% of the total angular momentum available in the accretion cylinder and is always smaller than the value of a vortex with Kepler velocity around the surface of the accretor. The fluctuations of the mass accretion rate in the models with small gradients (2%) are similar to the values of the models without gradients, while the models with large gradients (20%) exhibit larger fluctuations. The mass accretion rate is maximal when the specific angular momentum is zero, while the specific entropy tends to be smaller when the disks are prograde.

研究の動機と目的

• 3次元流体流における非軸対称風降着に及ぼす速度勾配の影響を調査すること。
• 降着シリンダー内での角運動量降着に関する解析的予測と数値結果の長年の不一致を解消すること。
• マッハ数、降着体サイズ、および多変化指数が降着率および流れの安定性に与える影響を特定すること。
• 2次元および3次元の先行結果と比較することで、一貫性および解像度効果を評価すること。
• 非一様な流れ条件下における一時的ディスクおよび角運動量の揺らぎが降着プロセスに果たす役割を定量化すること。

提案手法

• 高精度で衝撃波および不連続性を捉えるために、Piecewise Parabolic Method (PPM) を用いて数値流体力学をモデル化する。
• 降着体周辺にメッシュのネストドグリッドを適用し、降着球体の直近の領域における解像度を向上させる。
• マッハ数（3および10）、速度勾配（1つの降着半径あたり3%および20%）、降着体半径（0.02、0.1、および1.0 R_A）を変化させた3次元シミュレーションを実施する。
• 熱的効果が降着ダイナミクスに与える影響をテストするため、多変化指数 γ を 5/3（理想気体）から 4/3（等温的）に変化させる。
• 時間経過に伴う質量、線形運動量、角運動量の降着率を計算し、時間的揺らぎおよび平均値を評価する。
• 降着シリンダー内での角運動量の解析的推定値は式 (7) から導出し、比較の基準として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの降着半径あたり3%および20%の速度勾配が、風降着流れの安定性および時間依存的挙動にどのように影響するか？
• RQ2 降着体が降着する特定の角運動量は、降着シリンダーに基づく解析的推定値と比べてどの程度の割合にとどまるか？
• RQ3 マッハ数および降着体サイズが、降着率揺らぎの振幅および周波数に与える影響はいかほどか？
• RQ4 一時的ディスク形成時に、角運動量降着、質量降着率、および特定エントロピーの関係は何か？
• RQ5 2次元および3次元の先行シミュレーションと比較して、定量的に角運動量降着効率にどのような差が生じるか？

主な発見

• 降着体半径 ≤0.1 R_A のすべてのモデルで、時間的に変化する流れパターンが観測され、回転方向が繰り返し反転する一時的ディスクが形成され、軸対称モデルと類似した挙動を示す。
• 平均的な降着された単位質量あたりの角運動量は、モデルパラメータ（勾配強度や γ）に応じて、解析的推定値の7%〜70%の範囲にとどまる。
• 小さな勾配（3%）の場合は、降着体表面におけるケプラーディスクの角運動量のおよそ10分の1未塔の値にとどまるが、大きな勾配（20%）ではこの比は約3にまで低下する。
• 速度勾配を有する場合の質量降着率は、勾配なしの場合と比較して、揺らぎの振幅内で統計的に有意な差がない。
• 大きな勾配（20%）を有するモデルでは、小さな勾配（3%）や勾配なしのモデルと比較して、質量降着率の揺らぎが顕著に大きくなるため、不安定性が増加していることが示唆される。
• 特定の角運動量がゼロのとき質量降着率が最大となり、進行方向のディスク状態（負の特定角運動量）ではエントロピーが低くなる。