电阻磁流体力学模拟的CESE方法

利用时空守恒元解元方法(CESE)和两种改进方法, 即库朗数不敏感(CNIS)方法与高阶CESE方法求解2.5维电阻磁流体力学(resistive MHD)方程组, 模拟了两个单电流片重联问题. 并考察了上述三种方法所得结果的磁场散度. 分析表明, 三种方法所得到的磁场位形基本没有差别, 但在磁场散度上存在一定差异, 相比另外两种方法, CNIS方法在控制磁场散度方面表现得更好.     

电流片的自发重联与无力场──磁岛的形成

采用二维三分量磁流体力学数值模拟方法,研究了线性无力场对电流片的自发重联的影响。结果表明:电流片的背景场(无力场)对重联的拓扑位形有重要的影响,当无力场因子达到一定值时,在模拟区域内出现大范围的磁岛,磁岛厚度随时间的发展而增加,而无力场因子较小时则没有磁岛形成。当无力场因子为零时,即回到普通的位场情形的单x线重联,位场情形磁场拓扑位形与Scholar的结果一致。     

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.     

双带耀斑磁重联过程的数值研究

本文用多步隐格式求解包含电阻的磁流体力学方程组, 对双带耀斑的主相作数值模拟, 清晰地展示了中性片区由撕裂模线性重联向准稳态重联的过渡以及后随耀斑环的产生和等离子体团的喷发过程.对于在能量方程中计及和忽略焦耳加热两种情况, 分别作了计算.结果表明, 计及焦耳加热时, 电流片中等离子体的温度显著增加(是初始温度的2—3倍), 但等离子体的运动速度却变化不大.两种情况的计算结果均表明:等离子体的运动速度低于声速, 因此不会形成快激波.计及焦耳加热的计算结果显示了两个新的特征:其一是中性片高密度等离子体的受热膨胀, 增大了电流片的有效厚度, 它使重联速率降低, 并逐渐趋于饱和, 其二是同时形成上升和沉降等离子体团, 后者与耀斑环碰撞, 并合并于后随耀斑环内.     

空间等离子体压力各向异性对磁场重联的影响

基于二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了等离子体压力各向异性对磁场重联的影响,发现一个小的压力各向异性(P_⊥=1.02P_//)即可大大加速磁场重联的发展,这可能是由于磁镜不稳定性与撕裂模不稳定性共同起作用.在P_⊥P_//的情况下,撕裂模受到抑制,电流片中不能形成大型磁岛.     

二维磁流体动力学平衡日冕

应用解析和数值相结合的方法,本文处理了球对称太阳引力场中具有磁场的非粘、可压缩、完全导电等离子体的二维磁流体动力学平衡问题.得到了两种不同的解:(1)一种相应于磁场具有闭合区和开场区的稳定、自洽的等离子体流动,开场区几个太阳半径之外等离子体径向速度达到大值,超过了局地声速和局地Alfén速度;(2)等离子体速度总是小于局地声速和局地Alfvén速度,并当径向距离很大时速度趋于零.     

日冕三维太阳风模拟

COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型。本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整。在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳风进行模拟。模拟结果符合日冕太阳风结构,而且扩散八波法处理磁场散度性能有提升,可将相对磁场散度误差可控制在10^–9量级上。

     

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布,呈现非局域的多重分布。同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热,因而在电子的能谱分布中形成一高能尾。     

各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究

应用二维三分量混合模拟方法数值研究了各向异性等离子体中的磁场重联过程.计算结果表明,当等离子体垂直于磁场方向的压强大于平行方向的压强时（P_⊥/P_∥=1.5）,等离子体不稳定性的增长率会大大增强,重联速度也会加快;当等离子体垂直方向的压强小于平行方向的压强时（P_⊥/P_∥=0.6）,会出现火蛇管不稳定性,将抑制撕裂模不稳定性和磁场重联过程.     

两冕流间物质抛射事件的数值模拟

二维磁流体力学方程数值敢两冕流间的日冕物质抛射事件。为了能重现两冕流间ＣＭＥ的基本特征,本文在加入一定强度的扰动热压的同时,叠加了一个由圆线电流产生的闭合磁场。模拟结果表明,此类扰动能形成明显的高密度等离子体环形结构,且外环后随一暗脸。它们在径向和横向 都存在不同程度的膨胀。     

磁场强度对日冕定态结构的影响

以二维ＭＨＤ模型及时变方法为基础,内外边界完整的设影特征线边界条件,考察了太阳日冕大气的定态结构随偶极场强度的变化情况。模拟结果表明：随着偶极场强度的增加,磁场对太阳风的约束增强,低纬闭磁场打开程度减少,高纬与低纬区速度差增加,并且在阿尔文马赫数为１的点附近达到最大,速度过度区变陡;随着日心距离增加,低纬区宽度减小,速度过渡区变陡,可定性解释Ｕｌｙｓｓｅｓ飞船的新观测事实。     

日冕物质抛射中非对称高密度云和非线性波的形成和演化

应用函数拟合及数字滤波等方法,对SMM飞船观测的1980年8月18日日冕物质抛射事件进行了定量分析。论证了不对称高密度云的形成与爆发日珥顶端偏离冕流对称轴有关,讨论了此不对称结构的演化及其对事件发展的影响,作出了暗腔是强磁场膨胀体的重要论断。从图象亮度的高度分布剖面中,分析出日冕非线性波在演化过程中前沿变陡的观测证据,推算了演化成激波的时间和高度,并论证了两者都是强磁场膨胀体所驱动的,而不是瞬时能量爆发所引起的。     

子午面太阳风结构及其对日冕抛射物运动的影响

本文提出了一种求解二维理想磁流体力学方程组的组合格式-网格方法。该方法在保证一定精度的前提下稳定性好,计算量小。文中使用该方法算得了子午面太阳风的盔状流动解。以该解作为初态,研究了盔状冕旒位形对日冕抛射物运动的影响,发现该位形使得抛射物向低纬赤道方向偏转,较好地解释了观测结果。     

两冕流间的对称径向膨胀日冕物质抛射事件

本文讨论了发生在冕流对之间的1980年5月6日日冕物质抛射事件。提出了一种描述事件外环运动的经验模型,把环的观测外形表达为在运动坐标系中的Cassini函数。环的发展过程分为两个阶段:在前一阶段,外环处于冕流对盔状结构之间,事件的发展以角宽度膨胀为主,其对称轴从赤道向北纬方向移动;径向膨胀和上升速度较低,加速效应明显。在后一阶段,外环越过冕流盔状结构所在高度,角膨胀趋于停止;运动接近于等角宽度和纯径向匀速的膨胀和上升运动。当外环向外运动时,其顶部和几何中心的高度均随时间而增加,但其底部高度基本上保持不变。根据上述观测特征,讨论了事件形成的可能机制。     

单流体二维太阳风结构的磁流体力学模拟

在添加动量项的情况下,对单流体二维磁流体力学方程组进行模拟,得到了子午面上的太阳风结构.结果表明,添加动量项的形式及其被加入的位置对远区太阳风速度和质子密度有苇要的影响,本文在适当的区域加入合适的动量项得出了远区太阳风速和质子密度与Ulysses观测基本符合的结果.文中给出较合适的动量添加区域为3.5-10R_s(R_s为太阳半径).     

日球基本参数的冕洞周变化与冕洞大气

本文利用MHD波与日冕大气耦合的磁流体动力学方程组,计算得到冕洞内的日冕大气的温度T、密度N和流速V的分布.根据这些量的分布特点,认为日球基本参数T、N和V的冕洞周变化,可以用冕洞磁场的非径向因子a值,随黑子活动的下降而变小来解释.