洛仑兹力控制高超声速进气道边界层分离的数值模拟

采用空间HUE格式、时间LU-SGS推进、sst-kw湍流模型、多块结构网格程序,对磁流体动力学(Magnetohydrodynamic:MHD)控制高超声速二维进气道边界层分离进行了数值研究.研究发现,不施加控制时,数值模拟得到的壁面静压和实验结果符合良好,进气道喉道处分离区占据喉道高度的1/3左右.通过施加MHD控制,消除了进气道内部的边界层分离,总压恢复系数从0.502提高到0.56,喉道处流场畸变系数减小了18.6%.     

NND格式在多维理想磁流体方程组中的应用

采用修正的四步Runge-Kutta方法求解三维一般曲线坐标系下的理想磁流体方程组,为克服数值振荡,加特征型NND格式进行后处理.特征型NND格式推广到求解三维磁流体(MHD)问题需要知道雅可比通量的左右特征矩阵,在具体计算时需要克服矩阵的奇性.本文用三维程序采用推广的特征NND格式计算了一维MHD激波管和二维(MHD)喷管流动,计算结果表明,特征NND格式保持了TVD格式高精度的优点,又具有计算简单的特点,在包括强弱间断等复杂波系的定常和非定常MHD流场数值模拟中是成功的.     

Fundamental (f) oscillations in a magnetically coupled solar interior-atmosphere system – An analytical approach

Solar fundamental (f) acoustic mode oscillations are investigated analytically in a magnetohydrodynamic (MHD) model. The model consists of three layers in planar geometry, representing the solar interior, the magnetic atmosphere, and a transitional layer sandwiched between them. Since we focus on the fundamental mode here, we assume the plasma is incompressible. A horizontal, canopy-like, magnetic field is introduced to the atmosphere, in which degenerated slow MHD waves can exist. The global (f-mode) oscillations can couple to local atmospheric Alfvén waves, resulting, e.g., in a frequency shift of the oscillations. The dispersion relation of the global oscillation mode is derived, and is solved analytically for the thin-transitional layer approximation and for the weak-field approximation. Analytical formulae are also provided for the frequency shifts due to the presence of a thin transitional layer and a weak atmospheric magnetic field. The analytical results generally indicate that, compared to the fundamental value ($\omega =\sqrt{\mathit{gk}}$), the mode frequency is reduced by the presence of an atmosphere by a few per cent. A thin transitional layer reduces the eigen-frequencies further by about an additional hundred microhertz. Finally, a weak atmospheric magnetic field can slightly, by a few percent, increase the frequency of the eigen-mode. Stronger magnetic fields, however, can increase the f-mode frequency by even up to ten per cent, which cannot be seen in observed data. The presence of a magnetic atmosphere in the three-layer model also introduces non-permitted propagation windows in the frequency spectrum; here, f-mode oscillations cannot exist with certain values of the harmonic degree. The eigen-frequencies can be sensitive to the background physical parameters, such as an atmospheric density scale-height or the rate of the plasma density drop at the photosphere. Such information, if ever observed with high-resolution instrumentation and inverted, could help to gain further insight into solar magnetic structures by means of solar magneto-seismology, and could provide further insight into the role of magnetism in solar oscillations.     

Kink mode m = 1 in magnetic tube with discontinuous magnetic field

In this paper, we study conditions of realization and stability of kink modes with azimuthal wave numbers $m=\pm 1$ in cylindrical plasma flex with twisted magnetic field and homogeneous current along its axis. We assume permanent axial magnetic field both inside and outside the flex, surrounded by currentless plasma. Azimuthal magnetic field decreases inversely proportional to the distance from the boundary beyond the flex. We derived dispersion equations for stable and unstable modes in approximation of “thin” plasma flex. The analysis of equations has been provided for the case of discontinuous axial magnetic field on flex’s boundary. Conditions of propagation of wave modes have been defined. It was shown, that unstable modes can be implemented in certain interval of longitudinal wavenumbers. Results can be applied for the interpretation of solar magnetic tubes behavior, using measurements, provided by spacecrafts.     

太阳风——磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.      

太阳表面水平运动驱动的磁圈与开放磁场重联的模拟研究

太阳大气的诸多观测事件(如耀斑、喷流等)均被归因于磁重联产生的能量转换. 近年来, 关于太阳风起源, 有研究提出了磁重联使闭合磁圈开放为太阳风供应物质的新模式. 在该模式中, 闭合磁圈被光球超米粒组织对流携带, 向超米粒边界运动, 与位于边界的开放磁场相碰撞进而发生磁重联. 该模式中磁重联的驱动及其效应是本文的研究目标. 磁流体力学(MHD)数值模拟是研究太阳大气磁重联物理过程的重要途径. 本文建立了一个二维MHD数值模型, 结合太阳大气温度和密度的分层分布, 在超米粒组织尺度上模拟了水平流动驱动的闭合磁圈与开放磁场的重联过程. 通过对模拟结果的定量分析, 认为磁重联确实能够将闭合磁圈的物质释放, 进而供应给新的开放磁结构并产生向上流动. 该结果为进一步模拟研究太阳风初始外流奠定了基础.      

高超声速等截面磁流体发电机性能研究

采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型,对等截面管道法拉第型分段电极磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了负载系数、磁场强度、电极-绝缘壁宽度比对发电通道性能的影响.结果表明:当负载系数为0.50时电功率密度达到最大,并且随着负载系数的增大发生器的减速能力降低;当磁场强度为8T时,500mm的管道长度即可将来流马赫数从6降低到3以下,温度保持在800K以下,并且每立方米的管道发电量能够达到兆瓦级的水平.      

基于磁流体控制的高超声速进气道黏性效应

建立引入电磁源项的二维低磁雷诺数磁流体动力学(MHD)方程组,对高超声速二维前体/进气道黏性流场进行了数值模拟.在给出了进气道高于设计马赫数的非设计工况下黏性流场的基本特征基础上,进一步分析了施加MHD控制对进气道黏性效应的影响.结果表明:施加MHD控制可以有效抑制非设计工况下内进气道表面的附面层分离,改善上壁面的热状况,平衡上、下壁面之间的热负担;黏性作用下,进气道流场及性能参数随磁感强度的变化规律与无黏模型计算结果存在较大差别,对磁流体控制的高超声速进气道研究不可忽略黏性的影响.      

磁激等离子体超声速气流的瞬态加速系统及其实验研究

研制了基于激波风洞的热电离系统,设计了马赫数Ma=1.5的喷管和分段法拉第型实验段,并选用了合理的磁场及电场方案。采用氦气驱动氩气模式,通过在激波管低压段注入电离种子K₂CO₃粉末实现气流的热电离;压缩后的高温氩气启动喷管,以瞬态超声速导电流体形式通过实验段。实验结果表明:当激波管高压段压力为1.1 MPa、低压段压力为500 Pa时,喷管出口的超声速导电气流温度约为4 185.91 K,压力约为0.037 MPa;当电容电压为400 V、磁感应强度为1.0 T时,由实验段中间位置电极的放电特性可以估算出气流电导率约为78.1 S/m,单对电极输入功率约为9.46 kW;用感应电压法对加速效果进行初步评估,出口气流速度增加了29.3%,电效率为26.1%。     

2.5维自适应磁场重联MHD模式

磁雷诺数(R_m)是影响磁场重联的重要因素. 真实的物理环境中R_m往往很高, 例如, 在行星际空间和太阳日冕中R_m通常大于104量级. 高R_m条件下的磁重联表现出很多异常特性, 然而高R_m条件下的磁场重联数值模拟需要很高的时空分辨率, 否则很难分辨出重联过程中形成的薄电流片. 本文基于自适应软件包PARAMESH将并行自适应网格技术引入磁场重联数值模拟, 建立了一个2.5维自适应磁场重联MHD模式, 研究高磁雷诺数条件下重联的动态演化过程, 进而将不同磁雷诺数的参数进行对比研究. 结果表明, 该模式可以自动捕捉到磁场重联产生的奇性电流片, 高磁雷诺数条件下产生的慢激波结构可提供一种快速磁能释放机制.