剪切流对磁重联层结构影响的MHD数值研究

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本文采用电阻磁流体模型系统地研究了剪切等离子体流对重联出流区结构的影响,讨论了沿着重联磁场分量和垂直重联磁场分量的两种剪切流的效应。 第一章,我们将介绍本课题研究的背景,包括重联的基本概念,重联的模型和观测。对黎曼问题也将加以介绍,它是研究重联相关的初始电流片的撕裂问题的有力工具。最后将介绍前人关于剪切流对重联影响的工作。 第二章,我们用一维电阻磁流体(MHD)模型数值的求黎曼问题,研究当存在沿着重联磁场分量Bz的剪切流时重联层的结构。基于空间和核聚变等离子体的不同特点,模拟考虑了初始电流片两边等离子体密度和磁场对称或不对称的情况,也考虑了有无导向中心场存在的“反平行重联”和“分量重联”情况。我们讨论了重联层中MHD间断的产生,包括时变中间激波,中间激波,慢激波,慢膨胀波和接触间断。结果表明剪切流对重联层的结构产生了很大的影响。对初始对称的电流片,剪切流破坏了这个对称条件。对不对称的初始电流片,例如在地球磁层顶,MHD间断的强度随着剪切流大小发生很大变化。而且,第一次系统地研究了重联X线两边重联出流区的结构。 第三章,我们仍用一维的模型研究垂直于重联磁场分量Bz的剪切流的作用,剪切流是沿y方向,也就是导向中心场的方向。通过初始电流片剪切流总的变化量△Vy≠0。同样的我们研究了对称或不对称的电流片的“反平行重联”和“分量重联”。结果指出这样的剪切流也对重联层结构产生一定的影响。(1)对于没有导向中心场的情况(By=0,即“反平行重联”),垂直的剪切流导致重联层中存在有限By场,这样重联层中会出现两个时变中间激波(TDISs)。这两个时变中间激波使磁场从电流片的一边到另一边旋转180°。而且初始电流片的对称性没有被垂直剪切流破坏。(2)对于有导向中心场By≠0(即所谓的“分量重联”)的情况,剪切流Vy会导致X线两边有完全不同的出流区的磁场结构。(3)“分量重联”中,垂直的剪切流会使通过重联层的切向磁场旋转反向。最后讨论了发生磁场反向旋转的临界速度△Vy。我们的模拟结果可以应用到空间和实验室等离子体中。 前面的工作指出对有导向中心场的“分量重联”,当剪切流超过临界值,垂直剪切流Vy0会导致通过时变中间激波的切向磁场旋转反向。第四章,我们将具体研究在临界剪切速度时,重联层的细致结构。尤其值得注意的是我们考虑了同时存在沿着和垂直重联磁场分量的剪切流(Vz0和Vy0)的重联。两个时变中间激波(TDIS和TDIS’)分别在剪切流Vv0达到Vc和Vc使磁场发生反转。Vy0=Vc,较强的TDIS不再会出现,替代它的是一个中间激波(IS)。而在Vv0=Vc,重联层出现一支新阿耳文波动(AW)。沿着重联磁场分量的有限剪切流Vz0不仅改变了时变中间激波(TDIS和TDIS)的强度,而且改变了临界速度Vc和Vc。模拟中得到的临界剪切速度值和我们从理想磁流体理论分析得到的结果很一致。 第五章,我们用三维磁流体模拟研究了当存在垂直重联磁场分量的剪切流时重联结构。虽然很多二维的磁流体模拟都研究了存在沿着重联磁场分量的剪切流的重联,但是当存在垂直于重联磁场分量的剪切流Vy时,电流片应该是三维结构的。三维模拟的目的是提供一个存在任意剪切流时的重联研究的初步试验,并且比较三维模拟结果和一维黎曼问题的结果。这里我们研究了无导向中心场的“反平行重联”。结果发现这个垂直的剪切流没有破坏y=0平面的电流片的对称性,而且这个剪切流的存在导致了切向磁场的旋转。这和我们第三章中的一维研究结果一致。然而,在y≠0平面上剪切流破坏了初始电流片的对称性。另外我们也简单研究了由于剪切流导致的Kelvin-Helmholtz不稳定。 最后是总结和展望。
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