[논문 리뷰] Non-axisymmetric wind-accretion simulations I. Velocity gradients of 3% and 20% over one accretion radius

M. Ruffert|arXiv (Cornell University)|1996. 05. 14.

Wind and Air Flow Studies인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 3차원 비축대칭 바람 질량 집적의 고해상도 수치 시뮬레이션을 처음으로 수행하였으며, 속도 기울기(1개 질량 집적 반경당 3% 및 20%)를 고려하여 조각별 파arabolic 방법(PPM)과 중첩 격자 구조를 사용하였다. 결과적으로 질량 집적된 특정 각운동량은 분석적 추정치의 7%에서 70% 사이로 나타났으며, 기울기가 클수록 변동성이 증가하고 축대칭 경우에 비해 각운동량 집적 효율이 떨어지는 것으로 나타났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비축대칭 바람 질량 집적에서 속도 기울기의 영향을 3차원 유체역학 흐름에서 조사하기 위해.
• 질량 집적 실린더 내에서 각운동량 집적에 대한 분석 예측과 수치 결과 간 오랜 기간 지속된 괴리 현상을 해결하기 위해.
• 마하 수, 집적체 크기, 등온지수의 영향을 어떻게 미치는지 질량 집적률과 흐름 안정성에 대해 규명하기 위해.
• 이전의 2차원 및 3차원 결과와 비교하여 일관성과 해상도 효과를 평가하기 위해.
• 비균일한 흐름 조건 하에서 일시적인 디스크와 각운동량 변동성이 질량 집적 과정에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 충격과 불연속성을 정확하게 포착하기 위해 고정밀도를 확보하기 위해 조각별 파라볼라 방법(PPM)을 사용하여 수치 유체역학을 모델링하였다.
• 집적체 주변에 중첩 격자 구조를 적용하여 집적 구면 주변의 해상도를 높였다.
• 마하 수(3 및 10), 속도 기울기(1개 질량 집적 반경당 3% 및 20%), 집적체 반경(0.02, 0.1, 및 1.0 R_A)을 다양하게 설정하여 3차원 시뮬레이션을 수행하였다.
• 등온지수 γ를 5/3(이deal 기체)에서 4/3(등온 유사)로 변화시켜 열적 효과가 질량 집적 역학에 미치는 영향을 시험하였다.
• 시간에 따른 질량, 선형 운동량, 각운동량의 집적률을 계산하여 시간적 변동성과 평균값을 평가하였다.
• 분석적 추정치는 식 (7)로부터 유도되었으며, 비교 기준으로 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1개 질량 집적 반경당 3% 및 20%의 속도 기울기가 바람 질량 집적 흐름의 안정성과 시간에 따라 변화하는 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 집적체에 의해 집적되는 특정 각운동량은 질량 집적 실린더 기반 분석적 추정치에 비해 어느 정도인가?
• RQ3 마하 수와 집적체 크기는 질량 집적률 변동의 진폭과 주파수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 일시적인 디스크 형성 기간 동안 각운동량 집적, 질량 집적률, 특정 엔트로피 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 이전의 2차원 및 3차원 시뮬레이션 결과와 비교하여 각운동량 집적 효율 측면에서 정량적으로 어떻게 다른가?

주요 결과

• 모든 집적체 반경 ≤0.1 R_A 모델에서 일시적인 디스크가 나타나며, 시간이 지남에 따라 회전 방향이 바뀌는 비정상적인 흐름 패tern을 보였다. 이는 축대칭 모델과 유사하였다.
• 평균적으로 집적된 특정 각운동량은 분석적 추정치의 7%에서 70% 사이로, 기울기 강도와 γ 등의 모델 파라미터에 따라 달라졌다.
• 작은 기울기(3%)의 경우, 집적체 표면에서 케플러 빌드의 값보다 약 10배 작게 집적된 특정 각운동량을 보였고, 큰 기울기(20%)의 경우 이 비율은 약 3배로 감소하였다.
• 속도 기울기가 있는 경우와 없는 경우의 질량 집적률은 변동 폭 내에서 통계적으로 구분되지 않았다.
• 큰 기울기(20%)를 가진 모델은 작은 기울기(3%) 또는 기울기가 없는 경우보다 질량 집적률의 변동성이 더 크게 나타나, 불안정성이 증가함을 시사하였다.
• 특정 각운동량이 0일 때 질량 집적률이 최대가 되었으며, 이는 정방향 디스크 단계(음의 특정 각운동량)에서는 특정 엔트로피가 낮아졌다.