收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

并行自适应技术在背景太阳风及快速磁场重联数值模拟中的应用研究

张绍华  
【摘要】:基于磁流体力学(MHD)方程组的数值模拟是研究空间等离子体问题的一种强有力手段,可以弥补空间观测的缺乏和理论分析的局限,极大加深人们对于各种复杂物理过程的认识。计算网格对于MHD数值模拟至关重要,特别是对于空间尺度变化复杂的物理问题,先进网格技术的引进可以很大程度上提高计算效能。本文把自适应网格技术和混合网格技术引入MHD数值模拟,建立了用于日地空间天气模拟的三维(3D)耦合太阳风模式和用于日冕快速磁场重联的二维半(2.5D)自适应磁场重联模式,分别重点研究了2069卡林顿周的稳态太阳风和日冕条件下快速的磁场重联,这两个具有不同时间和空间尺度的物理问题。 首先使用自适应软件包PARAMESH ,把基于MHD方程组分裂,二阶精度Godunov型有限体积算法和CT算法,并行自适应化,实现了二维和三维的理想MHD并行自适应CT模式。多个典型的二维、三维理想MHD问题的模拟结果表明,该模式具有较高的精度、很强的稳定性,能把磁场散度控制在非常低的水平(10~(-11)~10~(-12)数量级),同时可以有效地自动捕捉到流场中的物理突变结构,比如激波、强间断面等。 接下来把理想的MHD模拟算法推广到带电阻的MHD (即RMHD )算法,建立了2.5D自适应RMHD磁场重联模式。基于该模式研究了高磁雷诺数条件下,太阳日冕爆发性磁场重联的剧烈演化过程、快速磁能转换以及对于电子的有效加速机制。结果显示: (1)长而薄的电流片由于撕裂膜不稳定性被撕裂成许多片段,产生的磁岛不断长大、发生合并不稳定性而相互融合,最好形成了几个很大的磁岛,同时有更小尺度磁岛持续不断地产生并与大磁岛结合在一起。(2)通过包围在磁场重联出流区附近的慢激波对,磁能被有效转换为等离子体动能和热能,这为太阳耀斑爆发过程中的磁能快速释放提供了一个可能的途径。(3)利用模拟产生的时变电场和磁场,进一步使用测试粒子方法研究了电子的加速过程。发现电子在大约0.3秒之内可以被加速到高达120 MeV,磁场重联产生的磁岛的约束作用是维持电子加速状态的最关键因素。(4)利用并行自适应网格技术,该模型可以自动分辨出很多精细结构,比如,近奇异性的磁场重联扩散区和两个互相融合的磁岛之间形成的非常微小的磁岛等。同时与均匀计算网格相比,它能够节约大量计算资源,这对于进一步研究日冕中的三维磁场重联问题是尤其需要的。 最后,基于混合网格系统和算法,把上面实现的三维并行自适应网格与阴阳嵌套网格结合,完成了耦合的三维太阳风MHD模型。我们采用双网格系统,近太阳(near-Sun: 1.0 RS - 7.0 RS)和远太阳(o--Sun: 6.0 RS - 250 RS)计算区域分别用阴阳嵌套网格系统和自适应笛卡尔网格系统覆盖,通过区域连接模块(DCM)执行这两套网格系统之间的变量插值与交换,来把这两部分连接在一起。这样的计算网格有很大的优势:(1)近太阳的阴阳嵌套网格系统可以避免球坐标系下常见的极区奇点问题和网格汇聚问题,它的贴体特性极大简化了太阳表面计算边界的处理,又能获得较高精度的数值解。(2)远太阳区域的自适应网格系统可以很容易实现高性能并行自适应功能,自动加密和放粗网格,捕捉到等离子体的特征结构,比如,行星际电流片和共转流等。利用这个耦合太阳风模式,计算了2069卡林顿周的背景太阳风,并且把模拟结果与多观测数据( MLSO/MK4, SOHO LASCO/C2, SOHO/EIT, Ulysses和OMNI ),做了比较。结果表明,该模式成功捕捉到了2007太阳活动低年观测到的日冕附近许多奇特的特征,比如,朝赤道极大扩展的极区冕洞,独立的赤道冕洞,φ= 200-和φ= 330-之间扭曲的磁场中性线(MNL)等。耦合的三维MHD太阳风模型也产生了大尺度的共转相互作用区(CIR)结构,得到的太阳风参数与Ulysses飞船观测和L1点附近多飞船观测的OMNI数据都基本一致。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 李硕军,王水,郑惠南;引力场中磁场重联的数值研究(Ⅱ)磁力线足点的剪切运动[J];地球物理学报;1994年05期
2 郭俊,陆全明,王水,窦贤康;磁场重联的二维粒子模拟研究[J];空间科学学报;2003年04期
3 王水,李硕军,郑惠南;引力场中磁场重联的数值研究──(Ⅰ)磁岛的形成和合并[J];地球物理学报;1994年02期
4 郑惠南,王水;地球远磁尾中的磁场重联——(Ⅱ)局部驱动力的影响[J];地球物理学报;1992年06期
5 郑惠南,苏守军,王水,吴式灿;日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟[J];空间科学学报;2000年01期
6 葛亚松,李毅,王水,窦贤康;磁场重联中的电子加速机制的数值模拟研究[J];地球物理学报;2004年05期
7 贾英东,李毅,王水,葛亚松;磁场重联中离子轨道的混合模拟研究[J];地球物理学报;2003年02期
8 郭俊,李毅,陆全明,王水;各向异性等离子体中磁场重联的混合模拟研究[J];空间科学学报;2003年02期
9 马颖娟,王水;空间等离子体压力各向异性对磁场重联的影响[J];空间科学学报;2000年01期
10 王水,郑惠南;地球远磁尾中的磁场重联(Ⅰ)流动撕裂模不稳定性[J];地球物理学报;1991年06期
11 王水,李硕军,郑惠南;一种日冕物质抛射的形成机制[J];科学通报;1994年14期
12 濮祖荫,傅绥燕,刘振兴;磁场湍动重联的新模型[J];科学通报;1994年17期
13 张兵,王水,郑惠南;引力场中磁场重联的数值研究(Ⅲ)等离子体团的形成和运动[J];地球物理学报;1995年06期
14 张洪,沈超,刘振兴,马振国;K-H不稳定性在多电流片系统磁场重联中的效应[J];地球物理学报;1997年04期
15 郑惠南,王水;等离子体彗尾动力学的数值研究[J];空间科学学报;1995年03期
16 刘一凡,郑惠南,王水;多层电流片中撕裂模不稳定性的数值研究[J];地球物理学报;1997年02期
17 王小虎,郑惠南,王水;引力场中磁场重联的数值研究(IV)多层电流片[J];地球物理学报;1999年01期
18 马颖娟,王水;各向异性等离子体中撕裂模不稳定性和磁场重联的数值研究[J];地球物理学报;2001年04期
19 张洪,刘振兴;行星际磁场北向时磁层顶区磁场重联的全球模式[J];空间科学学报;1996年04期
20 刘一凡,王小虎,郑惠南,王水;非周期多层电流片中的非稳态磁场重联[J];科学通报;1997年19期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李国强;;磁场重联对CME的加速问题[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
2 田晖;姚硕;宗秋刚;何建森;齐羽;;小尺度磁云边界上的磁场重联[A];第十四届全国日地空间物理学术研讨会论文集[C];2011年
3 赵波;朱国全;郭俊;;无碰撞磁场重联中c/vA对电子动力学的影响[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年
4 贾英东;葛亚松;李毅;王水;;磁场重联及其动力学的二维混合模拟研究[A];第九届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2000年
5 郭俊;;无碰撞磁场重联中的电子低密度区[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
6 胡友秋;郭孝城;;地球磁层中的磁场重联特性研究[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年
7 张寿彪;谢锦林;胡广海;刘万东;;导向磁场重联中的密度分布[A];第十四届全国等离子体科学技术会议暨第五届中国电推进技术学术研讨会会议摘要集[C];2009年
8 郭俊;陆全明;王水;窦贤康;;磁场重联的二维粒子模拟研究[A];第十届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2003年
9 王源;陈耿雄;徐文耀;吴迎燕;罗浩;;极光电集流对行星际条件变化的响应[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
10 刘绍亮;李立文;;太阳风参数与地磁扰动的关系[A];第九届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张绍华;并行自适应技术在背景太阳风及快速磁场重联数值模拟中的应用研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2011年
2 张寿彪;磁场重联实验研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 李世友;伴随磁场重联的静电孤立波的研究[D];武汉大学;2009年
4 黄灿;无碰撞磁场重联中的电子动力学[D];中国科学技术大学;2012年
5 王荣生;无碰撞磁场重联扩散区结构和电子加速[D];中国科学技术大学;2010年
6 张城龙;双撕裂模非线性爆发磁场重联阶段的研究[D];浙江大学;2011年
7 徐晓军;行星际磁场重联观测研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2011年
8 史旺林;非对称磁场重联的Cluster数值分析及一个宇宙线源模式[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2005年
9 刘朝旭;无碰撞多重X线磁场重联的Hall MHD模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年
10 周猛;地球磁尾动力学过程的卫星观测和数值模拟研究[D];武汉大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田利平;由超阿尔芬剪切流引起的阿尔芬共振层对磁场重联的影响[D];浙江大学;2012年
2 胡世林;剪切流对垂直场四极结构的影响[D];大连理工大学;2010年
3 赵飞;撕裂模不稳定性与边界扰动驱动磁场重联[D];大连理工大学;2007年
4 付辉;近地太阳风参数与源区性质的相关性研究[D];山东大学;2010年
5 沙孝鸣;EUV增亮事件的数值研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
6 张杨;太阳风的地磁效应与对地球同步轨道高能电子强度影响的研究[D];中国气象科学研究院;2010年
7 王旭丹;磁尾磁场重联的二维混合模拟研究[D];大连理工大学;2006年
8 张熙;剪切流对撕裂模不稳定性中慢激波的形成和它的结构的影响[D];浙江大学;2011年
9 苑顺周;地磁活动相关问题研究[D];南京信息工程大学;2011年
10 晏水平;X线区域等离子体对磁重联率的影响[D];南昌大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 记者 杨丽娟;大连理工可控核聚变研究获重大进展[N];辽宁日报;2011年
2 记者 谢小芳;向核能源安全可控再进一步[N];大连日报;2011年
3 本报记者 赵艳秋;鼎芯半导体:弹奏RF和弦[N];中国电子报;2003年
4 赵艳秋;EVD芯片企业“芯”愿不同[N];中国电子报;2004年
5 记者 常丽君;科学家揭示太阳风日地之旅详细过程[N];科技日报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978