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如何处理恒星中的对流运动,是恒星结构和演化理论中一个极为重要的问题。在本论文中,从流体力学基本方程组出发,建立了一个描述湍流对流运动的Reynolds应力模型,并将它用于太阳模型中,对这一对流模型以及其中的自由参数进行了充分的检验和限制。本论文的主要目的是要检验一些在混合长理论中被忽略了的物理过程,例如湍流的耗散、扩散以及各向异性等,对太阳对流区结构的影响;同时,也希望通过与日震观测结果的对比,获得Reynolds应力模型中的自由参数在天体物理条件下的取值情况的有关信息。
研究发现,Reynolds应力模型得到的对流能量流通常比混合长模型的结果更大,并且传能效率敏感地依赖于对流模型中的耗散系数。湍流的扩散效应对太阳对流区的结构有很重要的影响,它使得对流区内各个Reynolds关联量的轮廓明显地被降低和展宽,使得超绝热对流区内的温度梯度明显增大,而在对流区边界附近的温度梯度有所减小。与采用混合长理论的标准太阳模型相比,采用Reynolds应力模型的太阳模型的整体结构如温度、绝热声速等发生了很小的变化,但这种小变化却是非常有意义的。
借助日震学的观测结果,本研究在太阳内部测定了Reynolds应力模型中涉及到的自由参数的取值情况。研究发现,如果适当选取自由参数的值,则不论是采用局地还是非局地Reynolds应力模型的太阳模型都可以得到比标准太阳模型更符合观测结果的理论振动频率。减小耗散系数Ct和Ce。的值以及增大扩散系数Ct1和Ce1的值可以减小理论计算频率,使之更符合观测值,而参数Ck和Cs的值则对理论计算频率没有明显影响。本文还发现,理论频率发生改变的根本原因在于,湍流的耗散过程和扩散过程改变了对流区内的温度分布。如果将六个自由参数都取较好的值(即较小的耗散系数和较大的扩散系数),采用本论文的Reynolds应力模型的太阳模型可以将中、高阶p模式振动的理论频率与观测频率之间的差距减小约30%。这一结果对太阳模型的研究有一定的参考价值,它提示在太阳模型中考虑湍流对流将有助于得到更符合观测结果的p模式理论振动频率。