弱可压缩湍流中平均引导磁场下的残余能量

能量分布是磁流体动力学（MHD）湍流的基本性质。在强磁化湍流中会出现能量不平衡，由所谓的残余能量来量化：$E_r~=~(E_{kin}~-~E_{mag})$；其中 $E_{kin}$ 和 $E_{mag}$ 分别表示体积平均的动能和磁能。不可压缩湍流的数值模拟得到 $E_r < 0$，与太阳风观测一致，而在高度可压缩湍流模拟中 $E_r > 0$。两种状态下 $E_r$ 的级联过程存在差异。我们探讨了存在初始强引导磁场时弱可压缩 MHD 湍流中 $E_r$ 的性质。研究了不同驱动机制和磁场强度对 $E_r$ 级联的影响。我们使用 PENCIL 代码运行了一系列直接数值模拟。所有模拟均通过驱动维持在准静态区域，声学马赫数接近 0.1。我们仅改变阿尔文马赫数，或等价地改变等离子体 $\beta$。我们通过在大尺度注入速度或磁场涨落来驱动湍流，并研究动能、磁能、密度和 $E_r$ 的功率谱。磁场驱动的模拟显示出局部不平衡的阿尔文涨落以及 $\propto k^{-3/2}$ 的级联，与动力学对齐理论一致。动能驱动的模拟产生 $\propto k^{-1}$ 的标度，与密度非均匀性散射的阿尔文波之间的相互作用一致——这是反射驱动湍流的特征。残余能量为正，其谱指数 $\alpha$ 依赖于 $\beta$：对于 $\beta = 4.0$，$-2 \lesssim \alpha \lesssim -5/3$；对于 $\beta = 1.0$，$-5/3 \lesssim \alpha \lesssim -3/2$；对于 $\beta = 0.3$，$\alpha \approx -1$。