[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究利用流体动力学 enzo-e 模拟，探究了冷云与高温超音速风相互作用时形成的湍流辐射混合层（TRMLs）中的湍流特性。结果表明，湍流速度（$v_{\rm turb}$）表现出显著的温度依赖性：初始时与声速成比例，随后由于冷却支持的湍流作用而稳定在峰值值的一半，其大小由声波穿越时间与冷却时间的比值决定。

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.

研究动机与目标

• 理解在天体物理环境中云-风相互作用过程中湍流在湍流辐射混合层（TRMLs）中的作用。
• 解决多相流中湍流驱动混合与辐射冷却之间的竞争关系。
• 量化在存在冷却的情况下，$v_{\rm turb}$ 随温度和时间的演化规律。
• 评估数值分辨率对湍流和云形态的影响。
• 识别控制TRMLs中湍流速度的无量纲标度律。

提出的方法

• 使用 enzo-e 代码结合自适应网格加密技术，开展高分辨率流体动力学模拟，以模拟云-风相互作用。
• 采用多种指标表征 $v_{\rm turb}$，包括球坐标分量中的速度弥散度、滤波处理和结构函数。
• 基于内能梯度（$v_{r-\rm like}$）和风向定义速度分量，以分离出垂直于流场的湍流运动。
• 采用几何方法通过 $v_{\phi-\rm like}$ 的弥散度估算 $v_{\rm turb}$，该方法不受层流速度梯度影响，因而无偏。
• 应用核密度估计分析速度分布的波动性，并评估层流变化带来的偏差。
• 通过排除与风向对齐的速度分量，聚焦于早期湍流测量，以避免空间变化的层流流场带来的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在云-风相互作用形成的TRMLs中，湍流速度（$v_{\rm turb}$）如何随温度变化？
• RQ2 是什么驱动了 $v_{\rm turb}$ 的增长与衰减？冷却如何影响其晚期阶段的稳定化？
• RQ3 哪些无量纲参数控制这些系统中 $v_{\rm turb}$ 的大小？
• RQ4 数值分辨率在多大程度上影响湍流的出现和云的形态？
• RQ5 是否存在一个临界尺度，低于该尺度时湍流无法被解析，从而导致虚假的碎片化现象？

主要发现

• 湍流速度（$v_{\rm turb}$）初始时与声速成比例，且在温度较高的气体（高于冷却峰值区域）表现出强烈的温度依赖性。
• 随着冷却降低温度梯度，$v_{\rm turb}$ 稳定在最大值的一半左右，表明冷却提供了持续的湍流支持机制。
• $v_{\rm turb}$ 的大小与高温相的声波穿越时间与最小冷却时间的比值成比例，暗示存在普适的标度律。
• 湍流增长最初由云与风之间的相对速度驱动，但随着卷吸作用减弱剪切而衰减，随后冷却支持了湍流的持续存在。
• 证据表明存在一个解析湍流的临界尺度；数值分辨率不足会导致云体剧烈破碎并引起形态失真。
• 通过 $v_{\phi-\rm like}$ 测量 $v_{\rm turb}$ 的几何方法对层流速度梯度具有鲁棒性，而其他方法在早期需仔细滤波处理。