Численное моделирование неустойчивости в оболочке остатка сверхновой, расширяющегося в слабо неоднородной межзвездной среде
Автор: Королев Виталий Владимирович, Еремин Михаил Анатольевич, Коваленко Илья Геннадьевич, Занкович Андрей Михайлович
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Моделирование, информатика и управление
Статья в выпуске: 3 т.23, 2020 года.
Бесплатный доступ
Астрономические наблюдения показывают, что остатки сверхновых, даже с близкой к сферической формой, обычно имеют разномасштабные искажения в виде ряби или вытянутых волокон газа. Например, в остатке 0509-67.5, на ударной волне которого отчетливо видно волнистое возмущение с 15 изгибами. В качестве одного из возможных механизмов генерации таких структур рассматривается глобальная неустойчивость течения. В работе [26] в рамках линейного анализа было показано, что эта неустойчивость имеет резонансный характер, то есть возмущения определенной длины волны растут быстрее, а потому рябь в оболочке остатка проявится преимущественно в определенном диапазоне масштабов. В данной работе мы представляем результаты численного моделирования нелинейной стадии этой неустойчивости, вызванной малыми возмущениями во внешней среде в зависимости от их масштабов и интенсивности. В частности, показано, что внешние возмущения вызывают турбулизацию течения за фронтом ударной и формирование внутри оболочек радиально вытянутых филаментов с вихревой структурой,количество которых определяется номером гармоники возмущения .
Межзвездная среда, остатки сверхновых, неустойчивости, турбулентность, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/149131522
IDR: 149131522 | УДК: 524.5-7 | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2020.3.3
Numerical simulations of instability in the shell of a supernova remnant expanding in a weakly inhomogeneous interstellar medium
Astronomical observations show that the supernova remnants, even with a close to spherical shape, usually have multiscale ripple-like distortions. For example 15 bends on the shock front are clearly visible in the remnant 0509-67.5. The global instability of the flow is considered as one of the possible mechanisms for generating such structures. In the frame of linear analysis [26] was shown that this instability has a resonance character. It means that the perturbations with a certain wavelength number should grow faster, therefore ripples in the remnant shell will manifest itself predominantly in a certain range of scales. In this paper we present the results of numerical simulations of the nonlinear stage of this instability, caused by small perturbations in the external environment, depending on their scale and intensity. The unpertubed gas is~supposed to has a power-law spartial dependence ρ0( ) -ω, where ω is a constant. The blast wave generated by a supernova expolosion is descibed bya Sedov type similarity solution. We have developed two-dimensional numerical model of adiabatic flow with a blast wave in a comoving frame of reference based on parallel code AstroChemHydro [1]. It was shown that, according to the predictions of linear analysis, perturbations in the external flow amplify behind the front of the shock wave, which leads to the development of convective instability and the development of turbulence. The results of numerical simulationsdemonstrated that in shell-type flows (for = 2,7 and 𝑎 = 4/3) external disturbances along with the characteristic rearrangement of the shockfront and turbulization of the flow behind it, cause the formation of radially elongated filaments with a vortex structure behind the shock, the number of which is determined by the harmonic number of the perturbation .
Список литературы Численное моделирование неустойчивости в оболочке остатка сверхновой, расширяющегося в слабо неоднородной межзвездной среде
- Еремин, M. A. AstroChemHydro: параллельный код для моделирования химико-динамической эволюции межзвездной среды / M. A. Еремин, Е. О. Васильев, В. Н. Любимов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. — 2012. — Т. 16, вып. 42, № 3 (48). — C. 99-107.
- Ковеня, В. М. Метод расщепления в задачах газовой динамики / В. М. Ковеня, Н. Н. Яненко. — Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1981. — 304 с.
- Колган, В. П. Применение принципа минимальных значений производной к построению конечноразностных схем для расчета разрывных решений газовой динамики / В. П. Колган // Ученые записки ЦАГИ. — 1972. — Т. 3, № 6. — C. 68-77.
- Марчук, Г. И. Методы расщепления / Г. И. Марчук. — М. : Наука, 1988. — 263 с.
- Седов, Л. И. Движение воздуха при сильном взрыве / Л. И. Седов // ДАН СССР. — 1946. — Т. 52, вып. 42, № 1. — C. 17-20.
- Andreopoulos, Y. Shock wave-turbulence interactions / Y. Andreopoulos, J. H Agui, G. Briassulis // Annu. Rev. Fluid Mech. — 2000. — Vol. 32. — P. 309-345.
- Balsara, D. The evolution of adiabatic supernova remnants in a turbulent magnetized medium / D. Balsara, R. A. Benjamin, D. P. Cox // The Astrophys. J. — 2001. — Vol. 563. — P. 800-805.
- Donzis, D. A. Amplification factors in shock-turbulence interactions: effect of shock thickness / D. A. Donzis // Phys. Fluids. — 2012. — Vol. 24, iss. 1. — Article ID: 011705. — DOI: 10.1063/1.3676449.
- Direct numerical simulation of the interaction between a shock wave and various types of isotropic turbulence / S. Jamme, J. B. Cazalbou, F. Torres, P. Chassaing // Flow Turbul. Combust. — 2002. — Vol. 68. — P. 227-268.
- Goodman, J. Convective instability of hollow Sedov-Taylor blast waves / J. Goodman // The Astrophys. J. — 1990. — Vol. 358. — P. 214-228.
- Kushnir, D. The Stability of Decelerating Shocks Revisited / D. Kushnir, E. Waxman, D. Shvarts // The Astrophys. J. — 2005. — Vol. 634. — P. 407-418.
- Lee, S. Interaction of isotropic turbulence with shock waves: effect of shock strength / S. Lee, S. K. Lele, P. Moin // J. Fluid Mech. — 1997. — Vol. 340. — P. 225-247.
- Patnaude, D. J. An Isolated, Recently Shocked ISM Cloud in the Cygnus Loop Supernova Remnant / D. J. Patnaude, R. A. Fesen, J. C. Raymond // The Astron. J. — 2002. — Vol. 124. — P. 2118-2134.
- Raymond, J. C. Clouds and Instabilities in Supernova Remnant Structure: Interstellar Turbulence and Rippled Shocks / J. C. Raymond // RMxAC. — 2003. — Vol. 15. — P. 258-262.
- Raymond, J. C. The Preshock Gas of SN 1006 from Hubble Space Telescope Advanced Camera for Surveys Observations / J. C. Raymond, K. E. Korreck, Q. C. Sedlacek // The Astrophys. J. — 2007. — Vol. 659. — P. 1257-1264.
- Ryu, D. The growth of linear perturbations of adiabatic shock waves / D. Ryu, E. Vishniac // The Astrophys. J. — 1987. — Vol. 313. — P. 820-841.
- Ryu, D. A linear stability analysis for wind-driven bubbles / D. Ryu, E. Vishniac // The Astrophys. J. — 1988. — Vol. 331. — P. 350-358.
- Ryu, D. The dynamic instability of adiabatic blast waves / D. Ryu, E. Vishniac // The Astrophys. J. — 1991. — Vol. 368. — P. 411-425.
- Toro, E. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics / E. Toro. — Berlin : Springer, 1999. — 624 p.
- Van Leer, B. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme III. Upstream-Centered Finite Difference Schemes for Ideal Compressible Flow / B. Van Leer // J. Comput. Phys. — 1977. — Vol. 23. — P. 263-275.
- Van Leer, B. Towards the Ultimate Conservative Difference Scheme IV. New Approach to Numerical Convection / B. Van Leer // J. Comput. Phys. — 1977. — Vol. 23. — P. 276-299.
- Vishniac, E. On the stability of decelerating shocks / E. Vishniac, D. Ryu // The Astrophys. J. - 1989. - Vol. 337. - P. 917-926.
- Warren, J. S. Raising the Dead: Clues to Type Ia Supernova Physics from the Remnant 0509-67.5 / J. S. Warren, J. P. Hughes // The Astrophys. J. - 2004. - Vol. 608. - P. 261-273.
- Winkler, P. F. The First Reported Infrared Emission from the SN 1006 Remnant / P. F. Winkler, B. J. Williams, W. P. Blair // The Astrophys. J. - 2013. - Vol. 764. -P. 156-165.
- Wouchuk, J. G. Analytical linear theory of planar shock wave with isotropic turbulent flow field / J. G. Wouchuk, C. Huete Ruiz de Lira, A. L. Velikovich // PhRvE. - 2009. -Vol. 79. - P. 066318.
- Zankovich, A. M. Resonant Amplification of Turbulence by the Blast Waves / A. M. Zankovich, I. G. Kovalenko // The Astrophys. J. - 2015. - Vol. 800. - P. 28-38.