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《浙江大学》 2011年
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双撕裂模非线性爆发磁场重联阶段的研究

张城龙  
【摘要】:磁场重联在空间及实验室等离子体中都是一种基础且重要的物理现象。在太阳风、太阳日冕,以及非单调安全因子的托卡马克中都存在双有理面(电流片)系统。在双有理面系统中,有理面之间的相互驱动使得双撕裂模不稳定性的增长率比单撕裂模要大得多。 我们这篇论文中,通过MHD数值模拟研究讨论了导向场及霍尔效应对双撕裂模非线性演化过程的影响。论文中各章介绍如下: 第一章,介绍了磁场重联的概念及几种重联模型。线性撕裂模、非线性单撕裂模的一些理论基础。双撕裂模线性、非线性理论及模拟结果。 第二章,我们研究了导向磁场以及有理面间距对双撕裂模非线性演化过程的影响。研究发现,导向磁场的增加会导致重联区域的入流速度降低,减弱两个有理面间的相互驱动,从而使得整个双撕裂模演化过程变慢。双撕裂模非线性阶段的等离子体动能最大增长率也随着导向磁场的增加而降低。有理面间距对于双撕裂模的演化过程也是一个重要的参数。在电流片间距很小的算例中,没有观察到双撕裂模的爆发磁场重联阶段。最大增长率随着电流片间距的增加而增大。在电流片间距不同的算例中,动能增长率都会随着导向磁场的增加而减小。 第三章,我们介绍了模拟结果中所发现的二级磁岛的形成过程及影响。在电阻较小的算例中,电流片会相对更薄,当系统发展到爆发增长阶段的后期,电流片会被拉长,如果重联区域长宽比过大就会失稳形成二级磁岛。二级磁岛的形成会对磁场拓扑位型的演化过程产生很大影响。在导向磁场的作用下在二级磁岛内形成了强核心的磁通量管。而当导向磁场大到一定程度后,由于其对双有理面间驱动的抑制,使得重联区域不会失稳形成二级磁岛。当双有理面间的距离较小时也会形成二级磁岛,但是如果间距过小,由于自由磁能较小,并不会形成二级磁岛。模拟研究发现,双撕裂模演化过程中,当重联区域长度与宽度的比值ααcr重联区域会不稳定而形成二级磁岛,αcr约为20左右。 第四章,我们研究了霍尔效应对双撕裂模的非线性演化过程的影响。研究发现,在双撕裂模的早期非线性发展阶段及转化发展阶段,霍尔效应的影响不大。而当系统进入爆发增长阶段后,霍尔效应的影响就十分明显。这是因为在早期非线性阶段及转化发展阶段中电流片的厚度△要大于离子惯性长度di。随着撕裂模的发展及磁岛的相互驱动使得电流片越来越薄,当电流片的厚度在de△di这一范围内时霍尔效应对双撕裂模的影响就十分重要。 霍尔效应强弱不同使得双撕裂模爆发磁场重联阶段以及爆发磁场重联阶段的后期演化过程变得不同。对于强霍尔效应的算例,随着双撕裂模的发展演化,磁场重联区域的位型会从Y-型转化为X-型,这使得等离子体更易流出重联区域从而使得非线性增长阶段的后期重联速度很快。等离子体动能增长率最大值γmax与离子惯性长度及电阻的定标关系为di2/5η1/10。等离子体动能最大值(Ek)max和离子惯性长度的定标关系为di4/5。在弱霍尔效应的算例中,爆发增长阶段的后期由于电流片没有从Y-型转化为X-型,重联区域在强烈的驱动下失稳而形成二级磁岛。导向磁场的影响在这一章也进行了讨论,数值模拟发现加入导向磁场后,霍尔效应会在导向磁场的作用下破坏重联区域的平衡,使得在爆发重联阶段后期形成的二级磁岛偏离中间线与旁边的大磁岛重联、融合。 最后一部分是对工作的总结及展望。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O536

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