剪切流影响磁重联过程的几个现象研究

题名:剪切流影响磁重联过程的几个现象研究
作者:王嘉琦
学位授予单位:大连理工大学
关键词:磁场重联;;剪切流;;Hall效应;;Alfvén共振
摘要:
 磁场重联是等离子体物理研究的基本现象之一,它是许多重要空间物理现象和磁约束核聚
变问题的重要理论基础。通过磁重联,磁场的几何拓扑发生了改变,并伴随磁场能量向粒子能量的转
换,形成高速的等离子体束流喷射。自从磁重联理论提出以来,已经得到很多学者的不断完善。但是Magnetic lifter
因为所讨论问题的复杂性,以及空间和实验室里目前的观测手段都十分有限,所以对某些很重要问题
的理解还存在不少争议。由于能量原理很难处理稳态平衡剪切流存在时的不稳定性问题,因此大多
数磁重联理论模型仍限于从静态平衡的初始条件出发。然而剪切流在磁场重联的过程中又是非常重
要的,比如聚变装置中的稳定撕裂模和压制磁岛生长等过程。
 数值模拟作为理论与实验观测之间
的桥梁,对于解释复杂的非线性物理过程是一种非常行之有效的办法。本论文从磁流体动力学(MHD)
模型出发,采用数值模拟的方法对磁场重联问题展开讨论。着重模拟了环向剪切流、极向剪切流对
磁重联的影响,同时霍尔(Hall)效应和导向场也作为重要的因素被考虑其中,并得出了一些有意义的
结论,尤其进行了不同情况下http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter的Hall四极场的可观测性分析。
 本论文由以下6部分组成。

第一章,介绍了磁重联的背景。包括问题的提出、来源、学科发展史以及目前国内外的研究概况。
并从空间探测与实验室托克马克(Tokamak)装置两个方面简要阐述了磁重联研究的应用前景,面临的
挑战以及亟待解决的问题。
 第二章,主要介绍了本文在磁重联研究中使用的数值处理方法,
着重介绍了MHD的模拟过程以及对模拟结果的解释与诊断。
 在磁层和行星际等离子体中经常可
以观测到垂直于反平行磁场重联平面的剪切流。第三章,我们采用电阻MHD模型模拟了受迫磁重联电
流片的非线性演化,讨论了这种垂直磁重联平面的剪切流对磁重联的影响。模拟结果发现在不考虑
Hall效应时这种剪切流可以产生双极或者四极结构的垂直平面磁场分布。这种四极结构与典型的
Hall-MHD重联中平面内电子回流过程产生的四极结构极其相似。这个结果将对以往的对于空间等离
子体的快速磁重联现象的卫星观测判据提出新的挑战和思路。
 基于第三章的结论,为了
更好的弄清楚重联过程中的这种剪切流效应,在第四章中,我们采用Hall-MHD模型研究了Hall效应与
剪切流效应共同存在时的重联过程。通过模拟发现垂直平面的四极磁场分量可以由两种效应共同产
生,并且能够互相叠加产生出新的磁场分布。
 在第五章中讨论了一些与第三章和第四章相
关的问题。
 (1)研究了导向场的空间分布效应。在这一部分定义了两个作为比较的无量纲参
数:导向场强度参数α和导向场剪切长度参数χ。通过模拟发现重联过程随着导向场的增强以及χ
的增加而减慢。
 (2)首先采用和可压缩Hall-MHD模型讨论了无力场近似下撕裂模不稳定
性的非线性演化,并与Bian和Vekstein近期的线性理论结果进行了比较。
 (3)研究了不同
导向场分布下所能产生的四极结构分量。并讨论了卫星观测中,对于(2)和(3)情况下实际四极场的
可观测性研究。
 第六章,讨论了极向剪切流驱动Alfvén共振的问题及其应用。日冕加热
问题近几十年一直是太阳物理和空间物理难以解决的问题。人们设想了欧姆加热和波加热等多种加
热机制,试图来解释日冕加热现象。但无论哪种加热模型中,磁场的小尺度变化效应都是很重要的。
如果此时剪切流足够强,就可能激发Alfvén共振并形成薄电流片。这样欧姆加热和电流片中的波加
热都可以为日冕加热提供足够的加热来源。
 最后以工作成果总结全文并对所研究领域提
出前景展望。
学位年度:2009