Transition from two-dimensional to three-dimensional magnetohydrodynamic turbulence

物理 流线、条纹线和路径线 无粘流 磁流体力学 磁流体驱动 不稳定性 涡流 机械 经典力学 磁场 湍流 涡度 磁流体动力学湍流 量子力学
作者
André Thess,Oleg Zikanov
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:579: 383-412 被引量:49
标识
DOI:10.1017/s0022112007005277
摘要

We report a theoretical investigation of the robustness of two-dimensional inviscid magnetohydrodynamic (MHD) flows at low magnetic Reynolds numbers with respect to three-dimensional perturbations. We use a combination of linear stability analysis and direct numerical simulations to analyse three problems, namely the flow in the interior of a triaxial ellipsoid, and two unbounded flows: a vortex with elliptical streamlines and a vortex sheet parallel to the magnetic field. The flow in a triaxial ellipsoid is found to present an exact analytical model which demonstrates both the existence of inviscid unstable three-dimensional modes and the stabilizing role of the magnetic field. The nonlinear evolution of the flow is characterized by intermittency typical of other MHD flows with long periods of nearly two-dimensional behaviour interrupted by violent three-dimensional transients triggered by the instability. We demonstrate, using the second model, that motion with elliptical streamlines perpendicular to the magnetic field becomes unstable with respect to the elliptical instability once the magnetic interaction parameter falls below a critical magnitude whose value tends to infinity as the eccentricity of the streamlines increases. Furthermore, the third model indicates that vortex sheets parallel to the magnetic field, which are unstable for any velocity and any magnetic field, emit eddies with vorticity perpendicular to the magnetic field. Whether the investigated instabilities persist in the presence of small but finite viscosity, in which case two-dimensional turbulence would represent a singular state of MHD flows, remains an open question.

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