[論文レビュー] Taming the TuRMoiL: The Temperature Dependence of Turbulence in Cloud-Wind Interactions

Matthew W. Abruzzo, Drummond B. Fielding+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、冷たい雲が高温の超音速風と相互作用する際に形成される乱流放射混合層（TRML）における乱流を、流体力学的enzo-eシミュレーションを用いて調査する。乱流速度（$v_{\rm turb}$）が強い温度依存性を示すことが明らかになった。初期段階では音速に比例するが、冷却による支えられた乱流のおかげで、ピーク値の半分に安定化する。その大きさは、音速通過時間と冷却時間の比によって支配される。

ABSTRACT

Turbulent radiative mixing layers (TRMLs) play an important role in many astrophysical contexts where cool ($\lesssim 10^4$ K) clouds interact with hot flows (e.g., galactic winds, high velocity clouds, infalling satellites in halos and clusters). The fate of these clouds (as well as many of their observable properties) is dictated by the competition between turbulence and radiative cooling; however, turbulence in these multiphase flows remains poorly understood. We have investigated the emergent turbulence arising in the interaction between clouds and supersonic winds in hydrodynamic ENZO-E simulations. In order to obtain robust results, we employed multiple metrics to characterize the turbulent velocity, $v_{ m turb}$. We find four primary results, when cooling is sufficient for cloud survival. First, $v_{ m turb}$ manifests clear temperature dependence. Initially, $v_{ m turb}$ roughly matches the scaling of sound speed on temperature. In gas hotter than the temperature where cooling peaks, this dependence weakens with time until $v_{ m turb}$ is constant. Second, the relative velocity between the cloud and wind initially drives rapid growth of $v_{ m turb}$. As it drops (from entrainment), $v_{ m turb}$ starts to decay before it stabilizes at roughly half its maximum. At late times cooling flows appear to support turbulence. Third, the magnitude of $v_{ m turb}$ scales with the ratio between the hot phase sound crossing time and the minimum cooling time. Finally, we find tentative evidence for a length-scale associated with resolving turbulence. Under-resolving this scale may cause violent shattering and affect the cloud's large-scale morphological properties.

研究の動機と目的

• 星間環境における雲と風の相互作用時の乱流の役割を理解すること。
• 多相流における乱流駆動混合と放射冷却の間の競合を解明すること。
• 冷却の存在下で $v_{\rm turb}$ が温度と時間とともにどのように変化するかを定量的に評価すること。
• 数値的分解能が乱流および雲の形状に与える影響を評価すること。
• TRMLにおける乱流速度を支配する次元なしスケーリング則を特定すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化を用いて、enzo-eコードを用いた高分解能の流体力学的シミュレーションを実施し、雲と風の相互作用をモデル化した。
• 速度分散、フィルタリング、構造関数を用いた複数の指標を用いて $v_{\rm turb}$ を特徴づけた。
• 内部エネルギー勾配（$v_{r-\rm like}$）および風の方向に基づく速度成分を定義し、流れに直交する乱流運動を分離した。
• 幾何学的アプローチを用いて、定常流の勾配に偏りのない $v_{\phi-\rm like}$ の分散を用いて $v_{\rm turb}$ を推定した。
• 核密度推定を適用して速度分布の揺らぎを分析し、定常流の変動によるバイアスを評価した。
• 空間的に変化する定常流の影響を避けるために、風方向の速度成分を除外することで、初期段階の乱流測定に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 雲と風の相互作用によって形成されるTRMLにおける乱流速度（$v_{\rm turb}$）は、温度にどのように依存するか？
• RQ2 乱流速度 $v_{\rm turb}$ の増大と減衰はどのような要因によって引き起こされ、冷却はその遅延時の安定化にどのように寄与するか？
• RQ3 これらの系における $v_{\rm turb}$ の大きさを支配する次元なしパラメータは何か？
• RQ4 数値的分解能は、乱流の出現および雲の形状にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 乱流が解像不能になる臨界スケールが存在するか？その下では不適切な破壊が生じ、雲の形態が歪められるか？

主な発見

• 乱流速度（$v_{\rm turb}$）は初期段階で音速に比例し、冷却ピークを上回る高温領域では特に強い温度依存性を示す。
• 冷却によって温度勾配が低下すると、$v_{\rm turb}$ はピーク値のおよそ半分に安定化し、冷却による持続的乱流支えのメカニズムが存在することを示唆する。
• $v_{\rm turb}$ の大きさは、高温相の音速通過時間と最小冷却時間の比に比例し、普遍的なスケーリング則であることが示唆される。
• 乱流の増大は初期段階で雲と風の相対速度によって駆動されるが、混合によって速度勾配が減少し、その後冷却が持続的乱流を支えるようになる。
• 乱流を解像するための臨界スケールが存在する可能性がある。分解能が不足すると、雲に激しい破壊と形態の歪みが生じる。
• $v_{\phi-\rm like}$ を用いた幾何学的アプローチによる $v_{\rm turb}$ 測定は、定常流の勾配に左右されにくく、他の方法とは異なり初期段階での慎重なフィルタリングが不要である。