Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие вычислительной техники последних лет привело к появлению принципиально нового мощного метода исследования физических процессов — вы-тгислитеяького эксперимента. Численное моделирование во многих случаях оказывается единственным способом исследования физических явлении, поскольку применение аналитических методов существенно ограничивается сильной нелинейностью, многомерностью и нестацпонарностью систем. Наиболее плодотворные исследования относятся к двум направленням: изучение динамики малых возмущений системы (проблема устойчивости) и численные (компьютерные) эксперименты, поэтому этим вопросам уделяется повышенное внимание.
Газовые вращающиеся диски являются важными компонентами многих наблюдаемых астрофизических объектов (протопла-нетные дпекп, тесные двойные системы, галактики и молодые звезды) [1-5]. Многочисленные наблюдаемые проявления этих систем свидетельствуют о сложном характере гидродинамических течений, что связано с неоднородностямп гравитационных полей, излучением газа, сверхзвуковыми скоростями и другими факторами. Во мпогпх случаях существенным оказывается аккреция вещества — радиальное движение газа к центру диска. Ключевой проблемой процессов, происходящих в аккреционных дисках (АД), является вопрос о физических механизмах, приводящих к падению вещества на центральный гравптпрующий объект. Другой важный вопрос связан с выяснением широкого спектра наблюдаемых нестационарных проявлений в АД. Эта проблема, в частности, требует исследования устойчивости существующих моделей аккреционных дисков. В больишнетве случаев аналитическое исследование устойчивости АД осложнено многопараметричностью и неоднородностью течения, что требует привлечения для решения поставленной задачи численных методов и вычислительной техники.
Во многих аккрецирующих системах наблюдается вытекание вещества в виде струн, как правило, биполярных по отношению к плоскости вращения системы [2,3,6]. Для понимания механиз-
мов формирования струй (джетов) и их характерной наблюдаемой структуры необходимо исходить из моделей, которые описывают аккреционно -струйные течения газа с единых позиций. Численное исследование устойчивости таких течений даже в рамках линейного анализа позволяет определить вклад различных подсистем в формирование глобальных неустойчивых мод рассматриваемой системы. Однако в силу нестационарности, неодномерности и нелинейности аккреционно-струйных течений наиболее полное рассмотрение возможно в рамках численного нелинейного гидродинамического моделирования [6,7].
Цель работы
1. Изучение динамики малых газодинамических возмущений
в различных моделях тонких аккреционных дисков, различающих
ся законами вязкости, вращения и оптическими свойствами газа,
аналитическими и численными методами. Получение критериев
устойчивости вязких АД относительно энтропийных, вихревых и
звуковых мод колебаний в плоскости диска.
-
Численное изучение динамики высокочастотных акустических колебаний в вязком газовом диске с учетом неоднородной вертикальной структуры. Исследование вопроса о пределах применимости модели тонкого диска.
-
Построение математической модели стационарной аккреционно-струйной системы. Проведение численного линейного анализа устойчивости системы, включающей биполярную струю, атмосферу и газовый диск.
4. Разработка численно-экспериментальной газодинамиче
ской модели протозвездной системы. Исследование влияния сверх
звуковых выбросов вещества из центральной области на эволю
цию аккреционных дисков и формирование джетов.
Научная новизна и научно-практическая ценность работы:
подробно изучены дпеперсионпые свойства тепловой, вязкой и акустической неустойчивых мод колебании в аккреционных дисках, различающихся законами вязкости, вращения и оптическими свойствами газа;
установлено, что наличие сильной второй вязкости является
стабилизирующим фактором для акустической моды и не влияет па неустойчивость тепловой и вязкой мод;
получен локальный критерий устойчивости вязких аккреционных дисков, позволяющий определить границы маргинальной устойчивости для тепловой, вязкой п акустической мод колебаний при произвольных моделях вязкости и непрозрачности вещества;
показано, что звуковые волны остаются неустойчивыми для всех практически зпачпмых законов турбулентной вязкости и непрозрачности независимо от преобладания радиационного пли газового давлення, а тепловая мода может быть неустойчивой и в случае преобладания газового давления в модели оптически тонкого дпека;
установлено, что учет запаздывания вязкости приводит к стабилизации диссипативно-пеустойчивых мод;
обнаружен дискретный набор неустойчивых высокочастотных акустических мод в неоднородных по z-координате аккреционных дисках с турбулентной вязкостью; неустойчивость найденных мод обусловленна диссипатпвным механизмом;
продемонстрировано удовлетворительное согласие результатов модели тонкого диска и трехмерной модели для линейных звуковых волн;
построены равновесные модели обжимаемых внешним давлением конических струйных выбросов вещества и квазпкепле-ровекпх газовых дисков с постоянным отношением толщины к радиусу, находящихся в гравитационном поле центрального объекта, п показано, что равновесные параметры таких дже-тов и дисков определяются физическими параметрами окружающей атмосферы;
в рамках проведенного численного анализа устойчивости показано, что глобальная структура возмущений в аккреционно-струйной системе определяется развитием резонансных неустойчивых мод в струях;
предложены механизмы синхронизацип излучающих узлов в противоположно направленных выбросах, самокоплпмацпи выброса и отвода углового момента вещества аккреционного диска, основанные на развитии в аккреционно-струйной си-
стеме резонансных неустойчивых мод; - на основе метода численного гидродинамического моделирования (метода крупных частиц) предложен новый самосогласованный сценарий формирования струн и эволюции аккреционных дисков вокруг молодых звезд, основанный на первоначальном сверхзвуковом выбросе вещества из центра системы.
Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные в диссертации результаты могут представлять интерес как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения применения для широкого круга специалистов, занимающихся проблемами астрономии, астрофизики и газодинамики. Отдельные параграфы диссертации могут быть включены в учебные курсы по численным н компьютерным методам в физике. Работа частично выполнена в рамках межотраслевой научно-технической программы "Астрономия".
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
Численные и аналитические критерии устойчивости вязких аккреционных дисков относительно энтропийных, вихревых и акустических возмущений в плоскости диска с учетом радиационного и газового давлений, второй вязкости, произвольных законов вращения, сдвиговой вязкости и непрозрачности.
-
Большинство построенных к настоящему времени моделей АД дисеппативно неустойчивы.
-
Высокочастотные акустические моды колебаний в вязкнх аккреционных дисках конечной толщины неустойчивы.
-
Глобальная структура возмущений в аккреционно-струйной системе определяется развитием резонансных неустойчивых мод в струях.
-
Численно-экспериментальная газодинамическая модель про-тозвездной системы.
-
Одиночный сверхзвуковой выброс вещества из ядра про-тоавезды приводит к оиразованпю высококоллимированных сверхзвуковых биполярных струйных истечений с периодически расположенными вдоль них областями повышенной плотности газа.
Достоверность результатов п выводов дпссертацип определяется: 1) тщательной обоснованностью используемых моделей п применением при решении поставленных задач строгих математических методов; 2) проверкой полученных з работе приближенных аналитических решений на совпадение с точными численными решениями в широких диапазонах значений параметров; 3) совпадением в частных п предельпьгх случаях полученных результатов с известными ранее.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 14 научных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II межвузовской научно-практпческой конференции студентов и молодых ученых Волгоградской области (Волгоград, ноябрь 1995 г.), на Международных студенческих научных конференциях "Физика Космоса" XXIV, XXV, XXVI и XXVII (Свердловская обл., Коуровская АО, февраль 1995, 1996, 1997 л 1998 гг.), ВНКСФ-3 (г. Заречный, Свердловская обл., апрель 1995 г.), научных секциях III и IV съездов астрономического общества (Москва, 1996, 1997), научных семинарах Специальной Астрофизической Обсерватории РАН (октябрь 1996, апрель 1997), научных семинарах и конференциях Волгоградского госунпверептета в 1995 ~ 1998 гг.
Личный вклад автора. В совместных публикациях по теме диссертационной работы вклад автора заключается в непосредственном участил в постановке задач, в получении аналитических асимптотических решений, в проведении всех численных расчетов, в интерпретации полученных результатов и в написании статей.
Объем И СТ^^КТУПа заботы. ТТпССет^ТаттттЯ гпгтпттт ттз "Гспр-
дения, грех глав, заключения п списка литературы. Общий объем дпссертацип составляет 140 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков п список литературы (93 наименования).