磁化 Taylor-Couette 流中螺旋磁旋转不稳定性的准二维非线性演化

磁旋转不稳定性（MRI）是天体物理学中的基本过程之一，驱动着各种宇宙物体中的角动量传输和质量吸积。尽管过去几十年进行了大量的理论/数值和实验努力，但其饱和机制和振幅（决定了角动量传输速率）仍未被充分理解，特别是在高电阻率或小磁普朗特数的极限情况下，这典型地存在于原行星盘内部（死区）、行星液态核心以及实验室液态金属中。利用直接数值模拟，本文研究了在非常低的磁普朗特数（相应地低磁雷诺数，与液态金属相关）下，磁化 Taylor-Couette 流中螺旋磁旋转不稳定性（HMRI）——标准 MRI 的一种变体——的非线性发展和饱和特性。为简化起见，保持方位场与轴向场的比率固定。从 HMRI 的线性理论可知，Elsasser 数（或相互作用参数）决定了其增长率并在动力学中起特殊作用。我们表明该参数在非线性问题中也很重要。通过增加其值，系统会发生从弱非线性（系统略高于线性稳定性阈值）到强非线性或湍流状态的突然转变。我们计算了这两种状态对应的方位和轴向能谱，并显示它们在定性上有所不同。值得注意的是，非线性状态在所有情况下都几乎保持轴对称，表明 HMRI 湍流本质上是准二维的。虽然非轴对称模式的贡献随 Elsasser 数的增加而适度增加，但其总能量仍远小于轴对称模式的能量。