[论文解读] Non-axisymmetric wind-accretion simulations. II. Density gradients

M. Ruffert|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 1999

Astro and Planetary Science被引用 14

一句话总结

本研究采用嵌套网格的分段抛物线法（PPM）对具有横向密度梯度的介质中非轴对称风吸积至致密天体的三维流体动力学模拟，实现了高分辨率。主要发现为：尽管质量吸积率与均匀介质相比基本不变，但角动量吸积受不稳定性强烈调制，在稳定阶段最多可吸积70%的可用角动量，而在不稳定阶段则因显著波动导致平均值降低，尤其在高梯度情况下，前向流动得以维持。

ABSTRACT

The hydrodynamics of a variant of classical Bondi-Hoyle-Lyttleton accretion is investigated: 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 density gradient (of 3%, 20% or 100% over one accretion radius) perpendicular to the relative motion. Similarly to the 3D models published previously, both with velocity gradients and without, the models with a density gradient presented here 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. No obvious trend of the dependency of mass accretion rate fluctuations on the density gradient can be discerned. The average specific angular momentum accreted is roughly between zero and 70% of the total angular momentum available in the accretion cylinder in the cases where the average is prograde. Due to the large fluctuations during accretion, the average angular momentum of some models is retrograde by up to 25%. Small gradients hardly influence the average accretion rates as compared to accretion from a homogeneous medium, while very large ones succeed to dominate and form an accretion flow in which the sense of rotation is not inverted.

研究动机与目标

• 研究横向密度梯度对三维流体动力学中非轴对称风吸积的影响。
• 确定马赫数、多变指数和梯度强度对质量与角动量吸积率的影响。
• 比较有无密度梯度情况下的吸积动力学，特别评估稳定性与时间平均角动量转移。
• 评估密度梯度是否主导流动结构与角动量输运，尤其与速度梯度模型相比。

提出的方法

• 采用分段抛物线法（PPM）求解数值流体动力学方程，实现高空间分辨率。
• 采用9层嵌套网格，最小网格尺寸为δ = 1/256 R_A，确保在吸积体附近具有高分辨率。
• 吸积体被建模为完全吸收的球体，半径R⋆ = 0.02 R_A，并采用软化势能以避免数值奇点。
• 模拟针对不同的马赫数（M∞ = 1.4, 3, 10）、密度梯度强度（ερ = 0.03, 0.20, 1.00）和多变指数（γ = 5/3, 4/3, 1.01）进行。
• 随时间计算吸积率与角动量分量，使用统计量（均值、标准差）分析波动。
• 以吸积圆柱体的理论角动量作为基准，评估所吸积角动量占可用角动量的比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 横向密度梯度如何影响三维风吸积中的稳定性与时间平均质量吸积率？
• RQ2 从吸积圆柱体中吸积的角动量占多大比例？其与梯度强度和马赫数的关系如何？
• RQ3 与先前研究的具有速度梯度的模型相比，质量与角动量吸积率的波动有何差异？
• RQ4 强密度梯度（ερ = 100%）是否能稳定流动并防止反向角动量吸积？
• RQ5 能否利用最大角动量吸积的解析估计来预测瞬态稳定阶段的吸积行为？

主要发现

• 对于小密度梯度（ερ = 0.03），在短暂准稳定阶段，吸积的单位角动量在理论最大值的10%以内，表明与解析估计高度一致。
• 不稳定出现后，平均单位角动量吸积显著下降，波动使均值降低最多达25%（在反向流动情况下）。
• 平均单位角动量吸积占总可用角动量的0%至70%，多数模型中以前向值为主导。
• 质量吸积率的波动程度低于以往的二维模拟，且随梯度强度增加未表现出明显趋势。
• 在极端情况ερ = 1.00下，吸积的角动量在整个过程中保持前向，且由于背景角动量较大，流动不稳定性的影响相对较小。
• 在ερ = 1.00的模型中，入流的单位角动量超过吸积体表面的开普勒极限，但吸积的角动量仍保持前向且稳定。