剪切流對磁重聯(lián)層結(jié)構(gòu)影響的MHD數(shù)值研究.pdf

1、本文采用電阻磁流體模型系統(tǒng)地研究了剪切等離子體流對重聯(lián)出流區(qū)結(jié)構(gòu)的影響，討論了沿著重聯(lián)磁場分量和垂直重聯(lián)磁場分量的兩種剪切流的效應(yīng)。 第一章，我們將介紹本課題研究的背景，包括重聯(lián)的基本概念，重聯(lián)的模型和觀測。對黎曼問題也將加以介紹，它是研究重聯(lián)相關(guān)的初始電流片的撕裂問題的有力工具。最后將介紹前人關(guān)于剪切流對重聯(lián)影響的工作。 第二章，我們用一維電阻磁流體(MHD)模型數(shù)值的求黎曼問題，研究當存在沿著重聯(lián)磁場分量Bz的剪切流

2、時重聯(lián)層的結(jié)構(gòu)?；诳臻g和核聚變等離子體的不同特點，模擬考慮了初始電流片兩邊等離子體密度和磁場對稱或不對稱的情況，也考慮了有無導(dǎo)向中心場存在的“反平行重聯(lián)”和“分量重聯(lián)”情況。我們討論了重聯(lián)層中MHD間斷的產(chǎn)生，包括時變中間激波，中間激波，慢激波，慢膨脹波和接觸間斷。結(jié)果表明剪切流對重聯(lián)層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大的影響。對初始對稱的電流片，剪切流破壞了這個對稱條件。對不對稱的初始電流片，例如在地球磁層頂，MHD間斷的強度隨著剪切流大小發(fā)生很大變

3、化。而且，第一次系統(tǒng)地研究了重聯(lián)X線兩邊重聯(lián)出流區(qū)的結(jié)構(gòu)。 第三章，我們?nèi)杂靡痪S的模型研究垂直于重聯(lián)磁場分量Bz的剪切流的作用，剪切流是沿y方向，也就是導(dǎo)向中心場的方向。通過初始電流片剪切流總的變化量△Vy≠0。同樣的我們研究了對稱或不對稱的電流片的“反平行重聯(lián)”和“分量重聯(lián)”。結(jié)果指出這樣的剪切流也對重聯(lián)層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。(1)對于沒有導(dǎo)向中心場的情況(By=0，即“反平行重聯(lián)”)，垂直的剪切流導(dǎo)致重聯(lián)層中存在有限By場，

4、這樣重聯(lián)層中會出現(xiàn)兩個時變中間激波(TDISs)。這兩個時變中間激波使磁場從電流片的一邊到另一邊旋轉(zhuǎn)180°。而且初始電流片的對稱性沒有被垂直剪切流破壞。(2)對于有導(dǎo)向中心場By≠0(即所謂的“分量重聯(lián)”)的情況，剪切流Vy會導(dǎo)致X線兩邊有完全不同的出流區(qū)的磁場結(jié)構(gòu)。(3)“分量重聯(lián)”中，垂直的剪切流會使通過重聯(lián)層的切向磁場旋轉(zhuǎn)反向。最后討論了發(fā)生磁場反向旋轉(zhuǎn)的臨界速度△Vy。我們的模擬結(jié)果可以應(yīng)用到空間和實驗室等離子體中。

5、前面的工作指出對有導(dǎo)向中心場的“分量重聯(lián)”，當剪切流超過臨界值，垂直剪切流Vy0會導(dǎo)致通過時變中間激波的切向磁場旋轉(zhuǎn)反向。第四章，我們將具體研究在臨界剪切速度時，重聯(lián)層的細致結(jié)構(gòu)。尤其值得注意的是我們考慮了同時存在沿著和垂直重聯(lián)磁場分量的剪切流(Vz0和Vy0)的重聯(lián)。兩個時變中間激波(TDIS和TDIS’)分別在剪切流Vv0達到Vc和Vc使磁場發(fā)生反轉(zhuǎn)。Vy0=Vc，較強的TDIS不再會出現(xiàn)，替代它的是一個中間激波(IS)。而在Vv0

6、=Vc，重聯(lián)層出現(xiàn)一支新阿耳文波動(AW)。沿著重聯(lián)磁場分量的有限剪切流Vz0不僅改變了時變中間激波(TDIS和TDIS')的強度，而且改變了臨界速度Vc和V'c。模擬中得到的臨界剪切速度值和我們從理想磁流體理論分析得到的結(jié)果很一致。 第五章，我們用三維磁流體模擬研究了當存在垂直重聯(lián)磁場分量的剪切流時重聯(lián)結(jié)構(gòu)。雖然很多二維的磁流體模擬都研究了存在沿著重聯(lián)磁場分量的剪切流的重聯(lián)，但是當存在垂直于重聯(lián)磁場分量的剪切流Vy時，電流片應(yīng)

7、該是三維結(jié)構(gòu)的。三維模擬的目的是提供一個存在任意剪切流時的重聯(lián)研究的初步試驗，并且比較三維模擬結(jié)果和一維黎曼問題的結(jié)果。這里我們研究了無導(dǎo)向中心場的“反平行重聯(lián)”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個垂直的剪切流沒有破壞y=0平面的電流片的對稱性，而且這個剪切流的存在導(dǎo)致了切向磁場的旋轉(zhuǎn)。這和我們第三章中的一維研究結(jié)果一致。然而，在y≠0平面上剪切流破壞了初始電流片的對稱性。另外我們也簡單研究了由于剪切流導(dǎo)致的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定。