不同Lundquist数下湍动重联的二维MHD数值模拟

作     者：孙皓旻 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆全明

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070802[理学-空间物理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：磁场重联 湍动 磁岛 能量转换 开尔文-亥姆霍兹不稳定性 谱指数关系 

摘      要：磁场重联是一种非常普遍的基本等离子体物理过程。许多实验室、空间和天体物理等离子体中的爆发现象都与它有关,例如托卡马克中的不稳定性增长、磁层亚暴、太阳耀斑爆发等。磁流体力学(Magnetohydrodynamics,MHD)模型是描述磁场重联常用的模型。空间中的磁场重联经常发生在高度湍动的环境中,了解湍动环境中磁场重联的性质尤为重要。因此,采用对于MHD模型进行数值模拟的方式开展磁场重联的研究就成为了一个重要课题。在这项工作中,我们使用高分辨率二维MHD模拟,研究了湍动重联的物理机制以及湍动在提高重联率中的作用。在模拟中,湍动以不同的强度从外部注入系统。我们发现,湍动至少可以通过两种机制来提高重联率。首先,外部驱动的湍动自身就有助于系统将磁能转化为从重联下游区排出的等离子体动能,从而提高重联率。其次,高Lundquist数情况下,湍动有助于等离子体磁岛的形成,从而加速重联。湍动的存在对能量转换有很大影响。当湍动强度较小的时候,磁场能量主要通过欧姆耗散的方式转换为等离子体动能。当湍动强度较大的时候,磁场能量则主要通过安培力做功耗散的方式转换为等离子体动能。同时,湍动还可以对磁场重联过程中伴随的开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,K-H)不稳定性产生影响,较大的湍动强度有利于磁场的下游区域形成有利于K-H不稳定性发展的位型。最后,我们讨论了在湍动重联中的湍动的性质。我们发现二维的湍动和三维的湍动存在着明显的不同。这一不同主要表现在平行与垂直能谱的谱指数关系上。