超越混合长理论：迈向321D的一步
摘要
我们考察在恒星演化计算中替代混合长理论(mixing-length theory, MLT)的算法的物理基础。我们的321D流程基于纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)的数值解。这些隐式大涡模拟(implicit large eddy simulations, ILES)是三维(3D)、时间依赖且湍流的，包含柯尔莫哥洛夫级联。我们使用雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)公式来精简3D模拟数据，并利用3D模拟为RANS方程提供封闭。我们进一步用一个简单的解析模型分析该数据集，该模型是非局部且时间依赖的，并将MLT和洛伦兹对流卷作为解的特例子集。一个特征长度（阻尼长度）在模拟中再次浮现；它由观测到的大尺度驱动与小尺度阻尼之间的平衡决定。我们分析了混合与对流边界的本质，包括动力学、热和成分效应，并与简单模型比较。我们发现：(1)制动区（发生混合的边界层）自动出现在由史瓦西判据定义的对流边缘之外；(2)动力学（非局部）项意味着非零湍流动能通量（不同于MLT）；(3)成分梯度对流动的影响可与热效应相比拟；(4)中微子冷却阶段的对流边界在性质上不同于光子冷却阶段（不同的佩克莱特(P\'eclet)数）。算法基于ILES对纳维-斯托克斯方程的解，因此与MLT不同，它们无需针对天体系统进行任何校准即可预测恒星性质。文中指出了对太阳丰度、日震学、星震学、核合成产额、超新星前身星及核心坍缩的意义。
引用
@article{arxiv.1503.00342,
title = {Beyond Mixing-length Theory: a step toward 321D},
author = {W. David Arnett and Casey Meakin and Maxime Viallet and Simon W. Campbell and John Lattanzio and Miroslav Mocák},
journal= {arXiv preprint arXiv:1503.00342},
year = {2015}
}
备注
22 pages, 4 figures, 2 tables; significantly re-written, critique of Pasetto, et al. model added, accepted for publication by ApJ