天体物理学 > 地球与行星天体物理学
[提交于 2025年7月15日
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标题: 原磁盘中动态尘埃和冷却率的垂直剪切不稳定性流体动力学模拟
标题: Hydrodynamical simulations of the vertical shear instability with dynamic dust and cooling rates in protoplanetary disks
摘要: 湍流在原行星盘中影响尘埃演化和星子形成。垂直剪切不稳定性(VSI)是外盘区域候选湍流驱动机制之一。由于VSI需要快速气体冷却,盘中的尘埃颗粒可以影响甚至控制由VSI驱动的湍流。然而,由VSI驱动的湍流具有强烈的垂直运动,导致垂直方向上的尘埃扩散。因此,尚不清楚湍流结构和尘埃分布是如何形成的。我们的目标是澄清在与湍流扩散尘埃相关的冷却速率演变下,VSI是否能够实现准稳态的尘埃分布。我们还阐明了尘埃粒径和尘埃-气体质量比对平衡态实现和持续性的依赖关系。我们进行了轴对称盘的全球二维流体动力学模拟,以研究VSI如何驱动湍流并维持尘埃沉降与扩散之间的平衡。这些模拟考虑了尘埃分布、冷却速率和湍流之间的动态相互作用。我们发现,VSI混合、尘埃沉降和局部冷却达到平衡,形成一个无量纲垂直混合系数约为10^{-3}的厚尘埃层。VSI维持这种状态的能力也取决于尘埃粒径和尘埃-气体质量比。较大的颗粒或较低的质量比会削弱湍流,导致尘埃沉降。平衡态存在的条件与Fukuhara & Okuzumi(2024)提出的半解析模型的预测一致。我们的结果表明,高效的湍流尘埃混合和高效的冷却可以同时发生。它们还暗示,在由VSI主导的盘中,湍流强度水平因颗粒大小而异。这表明,原行星盘中尘埃增长的效率可能取决于VSI。
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