[论文解读] Radiative cooling instability in 1D colliding flows

R. Walder, Doris Folini|ArXiv.org|May 16, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用 10

一句话总结

本文通过数值模拟研究了一维碰撞流中辐射冷却不稳定性在恒星风泡、超新星遗迹和恒星风碰撞等天体物理系统中的表现。研究识别出两种不同的不稳定性类型——在平滑流体中表现为具有两个主导模态的周期性极限环，在非平滑流体中则表现为瞬态非周期性行为，且该不稳定性特征与辐射损失函数及激波动力学密切相关。

ABSTRACT

Radiative shock waves show a strong cooling instability at temperatures above approximately 2 times 10^5 K. We numerically investigate this instability by simulating different astronomical objects in which colliding flows play an outstanding role: Wind bubbles, supernova remnants, and colliding winds. Computing the flow of each object over a large part of its evolutionary time and resolving all physically relevant scales, we find several phenomenologically different types of this instability. If two smooth flows collide, the instability follows a periodic limit cycle with two modes being important. The connection between the radiative loss function and the mode and type of the overstability is discussed. The collision of non-smooth flows can temporarily result in an aperiodic evolution of the system. After a characteristic relaxation time the instability then becomes periodic again. Such disturbances as well as violent types of the instability can excite oscillations of the thin layer of cold compressed gas downstream of the shock, which in turn can influence the stability of the radiative shock.

研究动机与目标

• 理解在一维碰撞流中，关键天体物理环境中辐射冷却不稳定性的本质特征。
• 确定辐射损失函数如何影响激波系统中不稳定性模式与类型的形成。
• 研究非平滑流体碰撞中非周期性行为向周期性行为的转变机制。
• 分析不稳定性对激波下游冷压缩气体层稳定性的影响。
• 在完整演化 timescale 上模拟碰撞流过程，同时解析所有相关物理尺度。

提出的方法

• 采用有限体积法对包含辐射冷却的一维流体动力学流进行数值模拟。
• 引入依赖于温度和密度的详细辐射损失函数，以模拟能量损失过程。
• 在三种天体物理背景下建模碰撞流：风泡、超新星遗迹和恒星风碰撞。
• 在广泛的时间尺度范围内追踪长期演化，以捕捉瞬态与稳态行为。
• 解析所有物理相关的空间与时间尺度，确保准确捕捉不稳定性增长与饱和过程。
• 分析系统对初始非平滑性的响应，包括向周期性行为的弛豫 timescale。

实验结果

研究问题

• RQ1 在平滑的一维碰撞流中，辐射冷却不稳定性如何表现？
• RQ2 在非平滑流体碰撞中，非周期性与周期性不稳定性模式之间的转变由什么决定？
• RQ3 不稳定性模式与辐射损失函数的形状之间存在何种关系？
• RQ4 冷压缩气体层中的振荡在影响激波稳定性方面起什么作用？
• RQ5 初始流体不规则性如何影响不稳定性长期演化及周期性的形成？

主要发现

• 平滑碰撞流表现出具有两个主导模态的周期性极限环，其由辐射冷却驱动。
• 不稳定性类型与模式直接取决于辐射损失函数的函数形式。
• 非平滑初始条件导致瞬态非周期性行为，经过特征弛豫时间后逐渐过渡为周期性振荡。
• 剧烈的不稳定性事件可激发激波下游冷压缩气体层中的振荡。
• 这些冷层中的振荡反过来可影响辐射激波结构的整体稳定性。
• 模拟结果证实，该不稳定性在包括风泡和超新星遗迹在内的多种天体物理系统中均具有鲁棒性。