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湍动磁场的测量和粒子加速

湍动磁场的测量和粒子加速

作者：刘棒棒湘潭大学

学位级别：硕士

流体动力学湍动(HD turbulence)在自然界中普遍存在,以描述流体混乱无序运动状态为主要任务。在天体物理环境中,由于普遍存在磁化,流体粘滞、扩散等强烈相互作用诱发各种不稳定性使得流体运动表现为磁湍动状态,亦即磁流体动力学湍动(MHD... 详细信息

流体动力学湍动(HD turbulence)在自然界中普遍存在,以描述流体混乱无序运动状态为主要任务。在天体物理环境中,由于普遍存在磁化,流体粘滞、扩散等强烈相互作用诱发各种不稳定性使得流体运动表现为磁湍动状态,亦即磁流体动力学湍动(MHD turbulence)。研究导电流体的磁场特性和行为,以宏观的长度尺度和时间尺度(比碰撞长度和碰撞时间更大)为研究对象。运动的导电流体中的磁场诱发电流,同时磁场又使得导电流体极化,并相互改变磁场本身的物理特性。正确掌握MHD湍动性质是开展其在天体物理中应用研究的必要前提。因此,星际MHD湍动性质的测量具有深化MHD湍动基本理论发展和理解天体物理问题的双重意义。本论文第二章先介绍了流体力学湍动的基本理论,然后引入在等离子体研究中常用的基本概念。将流体力学和电动力学的知识相互融合,进而阐述了MHD湍动的基本理论基础。基于现代MHD湍动理论以及同步偏振辐射波动理论,第三章利用同步辐射固有的偏振特性来测量天空平面的磁化强度。具体地,对同步偏振涨落求标准差σ,并建立它与均值m的比值与阿尔文马赫数的关系,发现它们之间存在强相关性,即幂律关系。首先,通过数值模拟的数据的应用,统计阿尔文马赫数的权重并进行了高斯曲线拟合,得到了与理论预期相近的结果,证实了该测量方法的可行性。然后,利用数值模拟得到的线性幂律关系结合PLANCK观测数据,实现了对银河星际介质的阿尔文马赫数定量测量。第四章使用开源的PIC Zeltron代码进行数值模拟以研究高能粒子加速机制。该代码的优势是包含辐射反作用力的代码模块,非常适合我们相对论粒子加速过程的模拟。具体地,我们研究了重联电流片的电荷密度以及电流密度的分布规律、电流片周围的磁场结构以及被加速粒子的能谱特征。研究结果表明:(1)通过对比随时间演化的能谱,发现随着演化时间的增加,高能粒子数逐渐增多,且整个谱型向高能区移动;(2)分析重联过程中各种能量随时间的演化规律,发现演化过程中磁场的能量会逐渐降低,同时电场的能量以及粒子的动能增加。如上结果证实磁重联是导致粒子有效加速理想场所。第五章对本学位论文所执行的两个研究内容进行总结,并讨论了使用PIC结合MHD方法深入研究湍动对粒子加速的重要性和必要性。

关键词：湍动磁场磁重联粒子加速同步偏振等离子体

射电喷流中Alfven湍动对极端相对论电子的加速(英文)

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紫金山天文台台刊 1994年第3期13卷 81-86页

作者：马春玉王德育毛定一 Purple Mountain Observatory Academia Sinica Hohai University Nanjing 210024

The temporal cvolution of relalivistic electrons in radio jets is obtained by numerically solving the kinetic equation of the interaction between charged particles and Alfven turbulence, including synchrotron radiation loss. The energy of relativistic eieclrons can be accelerated to as high as Lorentz factor r-106. The energy spectrum of energetic eietrons is a power law, and the acceleration time is about 1012-1014 seconds. The energy spectum index of electrons is almost indcpcnded on the Alfven wave spectrum index and synchrotron loss, The latter affects the energy up-limit of acceleration.

关键词：极端相对论射电喷流英文湍动 Purple Langmuir Lorentz Hamilton handed weakly

太阳磁场演化和湍动大气中的耀斑能量积累(英文)

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紫金山天文台台刊 1994年第2期13卷 59-69页

作者： C.L.Yin S.T.Wu Purple Mountain Observatory the University of Alabama In Huntsville

In this paper we present the results of both evolution of Bibolar Magnetic Regions and flare energy buildup with supergranular diffusion. Based on these results we find (i) MHD processes including diffusion and cyclonic of turbulence play a significant role for the development of the complexities of an active region. The meridional flow controls the poleward migration of magnetic field of the active regions, (ii) The diffusion of photosphere field and the magnitude of the shear speed have important effects on the total energy storage in the solar corona.

关键词：磁场演化能量积累耀斑太阳英文湍动 defines Mathema Regions requires

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太阳磁场演化和湍动大气中的耀斑能量积累

紫金山天文台台刊 1994年第2期13卷 141-151页

作者： Yin,CL Wu,ST

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越浪的湍动及流场分析

水运工程 2014年第9期 32-36,50页

作者：郭立栋孙大鹏黄明汉中交第一航务工程局有限公司天津300461 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 中交天津港湾工程研究院有限公司中国交建海岸工程水动力重点实验室天津300222

越浪一直是波浪水动力问题的一个难点,原因在于其形成受到多种强非线性现象的作用。应用一种新型数值波浪模型(0-1BEM+VOF耦合模型)对越浪过程进行研究分析,并探讨了湍动动能、动能耗散率及流场在周期内的变化趋势。

关键词：越浪 0-1 BEM+ VOF 耦合模型湍动流场

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太阳风中小尺度湍动磁重联的模拟研究

中国科学（A辑） 1999年第11期29卷 1029-1036页

作者：魏奉思胡强 R.Schwenn 冯学尚中国科学院空间中心日球物理数值研究实验室 MaxPlanckInstitutefurAeronomie D37189KatlenburgLindauGermany

分析了Helios高分辨率数据 ,找到太阳风湍动中可能发生磁重联过程的观测事例 ,并将空气动力学中的三阶精度迎风紧致差分格式引入可压缩的二维磁流体动力学 (MHD)中 ,数值模拟研究行星际太阳风中这种小尺度湍动磁重联现象 .主要新结果是 ... 详细信息

分析了Helios高分辨率数据 ,找到太阳风湍动中可能发生磁重联过程的观测事例 ,并将空气动力学中的三阶精度迎风紧致差分格式引入可压缩的二维磁流体动力学 (MHD)中 ,数值模拟研究行星际太阳风中这种小尺度湍动磁重联现象 .主要新结果是 :行星际太阳风中湍动磁重联过程可以发生 ;湍动磁重联是高磁Reynolds数 (RM=2 0 0 0 ,1 0 0 0 0 )太阳风中磁重联的基本特征 ,磁重联多由单X射线重联向多X射线重联发展 ;磁岛的不断形成、合并与演化十分复杂 ,最终将向低能态状态演化 ;不同演化阶段、不同穿越路径 ,将有很不相同的磁场、流场信号记录 .小尺度湍动磁重联的数值实验结果可从原理上解释飞船观测结果。

关键词：太阳风磁重联湍动数值模拟小尺度湍动

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数值模拟相对论性朗缪尔湍动

南昌大学学报（理科版） 2014年第5期38卷 463-466,471页

作者：刘笑兰范洪鸣熊慧勇黄悦阳南昌大学物理学系江西南昌330031

为研究相对论性朗缪尔湍动特性,采用描述朗缪尔波与离声波非线性耦合过程的相对论性萨哈罗夫方程组,进行数值模拟,获得一系列朗缪尔波的时间演化图。图组形象地模拟出相对论性强朗缪尔湍动过程,图中给出不同相对论参数下朗缪尔波场强的... 详细信息

为研究相对论性朗缪尔湍动特性,采用描述朗缪尔波与离声波非线性耦合过程的相对论性萨哈罗夫方程组,进行数值模拟,获得一系列朗缪尔波的时间演化图。图组形象地模拟出相对论性强朗缪尔湍动过程,图中给出不同相对论参数下朗缪尔波场强的最大值。研究表明,电子运动相对论性越强,朗缪尔波的演化耗时更长,朗缪尔波场越强,湍动越剧烈。这可为湍动加速或等离子体加热提供参考数据,对超强激光等离子体(或天体物理)中出现超热电子(或快离子流)的产生机制研究有一定的参考价值。

关键词：强朗缪尔波数值计算湍动坍塌相对论性

不同Lundquist数下湍动重联的二维MHD数值模拟

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不同Lundquist数下湍动重联的二维MHD数值模拟

作者：孙皓旻中国科学技术大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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湍动对流与变星脉动稳定性

中国科学:数学 1980年第4期 347-355页

作者：熊大闰中国科学院紫金山天文台

本文利用文献[1]所发展的随时间变化的对流理论,研究了径向脉动运动同对流的耦合.由天琴座RR型变星和仙王座δ型变星模型的线性非绝热脉动计算表明,当考虑了对流与脉动的热力学耦合后,我们将可以确定脉动不稳定区红端边界的位置.并可望... 详细信息

本文利用文献[1]所发展的随时间变化的对流理论,研究了径向脉动运动同对流的耦合.由天琴座RR型变星和仙王座δ型变星模型的线性非绝热脉动计算表明,当考虑了对流与脉动的热力学耦合后,我们将可以确定脉动不稳定区红端边界的位置.并可望去解释长周期变星.以及晚型红巨星和超巨星光的变化性.

关键词：变星天琴座恒星天琴星座非绝热脉动恒星结构恒星包层湍动