改进的二维三阶半离散中心迎风格式

对二维三阶半离散中心迎风格式中的权函数给出了简化改进. 在保持格式精度的基础上, 改进后的权函数在二维情况下具有更加简单直接的结构而且严格非负. 该改进方法得到的格式仍然具有半离散中心迎风格式的优点, 同时保持了重构函数的非振性. 时间离散采用保持强稳定性的三阶Runge-Kutta方法, 并利用四阶Lax-Wendroff (L-W) 格式计算磁流体算例中的磁场散度. 用该修正格式计算了二维磁流体数值算例, 得到高精度无振荡的结果, 验证了此方法的有效性.      

Lax-Friderichs格式在磁流体模拟中的改进和应用

磁流体数值模拟是空间物理研究的重要手段.采用具有TVD（Total Variation Diminishing）特性的Lax-Friderichs差分格式求解了GLM-MHD（Generalized Lagrange Multiplier-Magnetohydrodynamics）方程.为降低格式的数值耗散,引入耗散修正系数对算法的通量计算过程进行改进.二维Rotor算例和磁云-电流片相互作用算例的模拟结果表明,GLM-MHD方法可以有效控制磁场散度误差,相对于泊松校正法可以节省一半以上的计算时间.在不破坏格式稳定性基础上,耗散修正系数有效降低了算法的数值耗散.      

AUSM系列算法对比研究及背景太阳风初步应用

磁流体力学数值模拟是研究日地物理学现象的一个重要手段. 对比三种AUSM算法, 即AUSM, AUSM+和AUSMPW+, 结合HDC磁场散度消去方法计算多维MHD问题的性能. 通过分析三种算法计算Rotor算例和Orszag-Tang vortex算例的结果发现, AUSM+算法的性能最好. 进一步使用AUSM+算法基于6片网格构造模拟了日冕结构, 计算结果表明这种算法能够正确计算出日冕的大尺度结构. 对于日冕结构模拟块, HDC方法能够较好 地控制磁场散度误差.      

背景太阳风数值模拟的熵守恒格式

背景太阳风研究是根据行星际扰动传播情况预测空间天气状况的基础,磁流体（MHD）模拟是背景太阳风研究的重要手段.采用一种新的数值计算方式,利用Ideal GLM-MHD将计算过程中产生的磁场散度以c_h的速度向计算区域外传播,从而消去磁场散度;重构部分使用受约束的最小二乘法,将磁场散度作为约束条件添加到重构中,进一步对重构后的磁场梯度进行修正;通量计算采用满足热力学第二定律的熵守恒格式,该格式能够确保在计算过程中熵不增,保证数值稳定.研究结果表明,该方法应用于太阳风数值模拟的求解得到了更加稳定的结果.      

超声速磁流体管道流动的数值模拟

应用可同时适用于描述磁流体MHD (MagnetoHydroDynamic)强化超燃冲压发动机磁流体发电器与磁流体加速器的,包含磁流体N-S(Navier-Stokes)方程与磁感应方程的可压缩磁流体方程组对超声速磁流体管道流动进行了数值模拟研究,以验证本项工作所提出的对2组方程进行交替迭代的分裂式算法.给出了算例的计算结果,并与无磁场及恒磁场下相同管道的流动计算结果进行了对比分析.     

无碰撞激波的理想MHD模拟

采用了WENO格式数值求解一维理想MHD方程组，模拟了行星际无碰撞激波，研究了垂直无碰撞激波与行星际反向磁场结构和高密度等离子体团的相互作用过程，并与粒子模拟的结果进行比对，两者的结果非常类似．模拟结果表明，对涉及无碰撞激波的大部分现象中理想MHD模拟是准确且可行的，同时相对于粒子模拟又有很好的计算效率，便于扩展至二维或三维的情形．     

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

广义拉格朗日乘子MHD方程组的两类逆风分裂格式

开发高性能的磁流体力学数值模拟方法是提高空间天气数值预报研究的一个重要方面.有限体积法的逆风分裂格式具有良好的间断捕获能力，Steger-Warming和AUSM（Advection Upstream Splitting Method）是逆风分裂格式FVS（Flux Vector Splitting）方法中具有代表性的两种格式.采用这两种格式求解具有伽利略不变性的扩展型广义拉格朗日乘子磁流体力学（EGLM-MHD）方程组，对Orszag-Tang涡流问题和三维爆炸波问题进行数值模拟，结果表明两种格式均能得到稳定精确的数值结果.与Steger-Warming格式相比，AUSM格式产生的磁场散度误差更小，计算速度更快.      

三阶中心无振荡格式性能分析

三阶中心无振荡格式Cn3(Centered nonoscillatory scheme of third order)使用对称模板构造具有三阶精度的插值公式.利用单调区域与精确区域修正原始插值参数,该格式能够获得间断附近无振荡、光滑区域高精度的计算结果.通过一维和二维典型算例,将Cn3格式与三阶和五阶WENO格式(Weighted Essentially Non-Oscillatory schemes)进行比较,重点分析了3种格式的间断分辨率、计算稳定性和数值耗散性.分析可见,Cn3格式能够精确、稳定地捕捉激波和接触间断,同时对光滑流动区域的小尺度流动结构保持较低的耗散,值得进一步研究及推广应用.     

1998年5月日冕三维结构的数值模拟

采用三维理想磙流体力学（MHD）模式，内边界条件把二维投影特征线边界方法推广应用到三维计算，有效地稳定了数值计算并保证稳态解的自洽性；初始猜解磁场由1935卡林顿周光球磁场观测数据得到，这样计算得到的1998年5月份期间日冕三维结构比较符合实际，计算结果表明：（1）计算得到的源表面非径向磁场量值在磁中性线附近不超过2μT，表明源表面磁场基本径向。（2）模拟得到的源表面径向磁场量值除了在磁中性线附近的区域外变化不大，这和观测一致。（3）由源表面磁场按平方反比的规律计算出1AU处磁场量值更接近观测值。（4）计算得到的日冕结构和观测定性一致，三维数值模拟结果表明，日冕的三维大尺度背景结构主要是由磁场决定的，在闭磁场处或者电流片附近，太阳风的密度高，速度低；在开场区，太阳风的密度低，速度高。     

两冕流间CME事件数值模拟的改进

通过偶极子场和六极子场适当叠加，改进猜解磁场，使猜解磁场在太阳南北极符号相反，然后采用理想磁流体力学方程组(MHD)，由猜解磁场与太阳风流动相互作用计算出稳态自洽解，得到定性上与观测比较接近的具有两个冕流的背景结构．在两个冕流间采用具有同心圆磁场位形的触发模型触发CME事件，研究CME的日冕传播特征．模拟结果表明，CME被约束在两冕流间传播，CME闭磁场位形和磁云横截面磁场位形相似，可以解释1AU处观测磁云的部分特征；在CME附近，存在压力和Lorentz力起主要作用的区域，这可以为分析1AU处CME事件的观测数据提供帮助．     

Current collection through the transport of electrons across magnetic field lines

Collection of electrons by a long conducting cylinder in a flowing plasma is studied by means of numerical simulations. The plasma flow simulates the relative motion between a spacecraft and plasma. The sheath structures and the levels of electron current collections for the cases with and without an ambient magnetic field ( ) are studied. It is found that for the flow perpendicular to the magnetic field, the current is considerably enhanced depending on the relative drift velocity. In the case of a non-zero magnetic field perpendicular to the cylinder axis, the potential structure is a two-dimensional double layer with dimensions L L_|, where L and L_| are the dimensions perpendicular and parallel to , respectively. L is found to be the current limiting radius given by the Parker-Murphy model. For the flow along , the electron current is found to be smaller than that for the flow perpendicular to . This is explained in terms of the potential structures.     

磁悬浮敏感陀螺动力学建模与关键误差源分析

基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺（MSSG）动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析了转子微小平移与偏转对转子力学状态的影响机理,利用ANSYS软件得出的有限元仿真结果与模型计算结果基本吻合。在此基础上,从理论上对转子非球形误差和洛伦兹力磁轴承误差2种主要误差源进行了初步分析,给出了干扰力矩解析表达式。计算表明:转子非球形和洛伦兹力磁轴承中磁场分布不均是导致测量误差产生的主要因素。模型的构建可为磁悬浮敏感陀螺的优化设计与分析提供有效理论依据。      

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

Force balance in the magnetospheres of Jupiter and Saturn

Spacecraft measurements of the plasma populations and magnetic fields near Jupiter and Saturn have revealed that large magnetospheres surround both planets. Magnetic field measurements have indicated closed field line topologies in the dayside magnetospheres of both planets while plasma instruments have shown these regions to be populated by both hot and cold plasma components convected azimuthally in the sense of planetary rotation. By using published data from the Voyager Plasma Science (PLS), Low Energy Charged Particle (LECP), and Magnetometer (MAG) instruments, it is possible to investigate the validity of the time stationary MHD momentum equation in the middle magnetospheres of Jupiter and Saturn. At Saturn, the hot plasma population is negligible in the dynamic sense and the centrifugal force of the cold rotating plasma appears to balance the Lorentz force. At Jupiter, the centrifugal force balances ～25% of the Lorentz force. The remaining inward Lorentz force is balanced by pressure gradients in the hot, high-β plasma of the Jovian magnetodisk.     

一种新型陀螺的力矩器非圆性误差补偿方法

为提高磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）对陀螺载体姿态的敏感精度,基于其洛伦兹力磁轴承（LFMB）的设计结构,提出了一种力矩器非圆性误差补偿方法。首先,针对一种新型双球形包络面转子MSCSG,介绍了MSCSG的结构特点与陀螺载体姿态角速度敏感原理,并分别建立了MSCSG力矩器半径误差模型、转子偏转干扰力矩模型与陀螺载体姿态角速度敏感误差模型。其次,通过实验测量了力矩器的圆度,通过MATLAB进行数据拟合得到了力矩器的非圆特性,采用勒让德多项式级数对力矩器非圆性进行了描述,并有效补偿了因力矩器非圆性误差导致的姿态角速度敏感误差。最后,对误差补偿效果进行了仿真验证,结果表明该补偿方法使陀螺载体姿态角速度敏感误差降低了83.5%。此外,本文方法还可以解决LFMB陀螺的相关共性问题。      

Dust motion in Jupiter's tilted magnetic field

We outline an analytical method for studying the motion of charged dust particles that orbit an oblate planet having a tilted, offset, dipolar magnetic field. Our computed trajectories closely mimic previous numerical results; equilibrium dust potentials must be less then 10 volts or the Jovian ring would be thicker than observed. We identify several $\text{Lorentz resonances}$, where the periods of components of the Lorentz force, as seen by a reference particle moving in the equatorial plane, match the particle's orbital period; several seem to be near observed features of the Jovian ring system.     

基于地形高程数据的复杂地形风场建模方法

提出了一种以地形高程数据为基础,进行三维复杂地形建模及其风场分布求解的数值仿真方法.该方法利用曲面样条插值技术建立复杂地形的三维数字模型,并将地形曲面离散为若干个涡环网格,结合位势流理论与地面边界条件计算得到复杂地形影响下的三维风场.数值计算结果显示,相比基于球绕流理论的工程模拟方法,该方法可对复杂地形做出更为真实的描述,并给出更为合理的风场分布形式.同时该方法建模过程简单,便于实际操作,适于飞机飞行性能评估或飞行模拟器环境建模的工程应用.      

较小尺度磁螺旋线管相互作用的数值研究

在子午面内,偶极子场和六极子场适当叠加得到势磁场,势磁场与太阳风长时间相瓦作用得到特殊的冕流背景结构.在这种背景结构下,两个较小尺度的磁螺旋线管模型能够连续浮入到计算域,在计算域内相互作用,触发了日冕物质抛射(CME).在数值模拟这一过程时,较小尺度的磁螺旋线管模型具有同心圆形磁场结构,模型中心等离子压强与边界压强之比m=2,模型的半径分别取为a=0.07 R.和a=0.1 Rs(Rs为太阳半径).在这两种情况下,得到了两种典型的计算结果.当a=0.07 Rs时,两个磁螺旋线管模型相瓦作用,在7 Rs内融合成一个磁螺旋线管模型,向外传播;当a=0.1 Rs时,两个磁螺旋线管模型相互作用,作为一个整体向外传播,在计算域内没有融合到一起,基本上保持各自的磁场结构.      

Evaluation of substorm models with Cluster observations of plasma flow reversal in the magnetotail

We evaluate two prevailing substorm models with an event of plasma flow reversal from tailward to Earthward detected by Cluster at the downstream distance of ∼19 R_E in the magnetotail during a substorm on August 22, 2001. We use the unique capability of Cluster measurements in determining gradients to examine the associated current density, Lorentz force, and current dissipation/dynamo term. In association with plasma flow reversal, it is found that (1) there was no clear quadrupole magnetic perturbation signature, (2) the x-component of the Lorentz force did not change sign, (3) the y-component of the product of the current density and the electric field was occasionally negative indicative of a dynamo effect, and (4) the timing sequence of flow reversal from the Cluster configuration did not match tailward motion of a single plasma flow source. These observations are consistent with the near-Earth initiation model for substorms with multiple current disruption sites moving progressively tailward near the late stage of substorm expansion.