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双带耀斑过程中非稳态磁重联的数值模拟
Alternative TitleNumerical Simulation of Unsteady Magnetic Reconnection in Two-ribbon Flares
沈呈彩
Subtype硕士
Thesis Advisor林隽
2009
Degree Grantor中国科学院研究生院(云南天文台)
Place of Conferral北京
Degree Discipline天体物理
Keyword太阳耀斑 数值模拟 撕裂模不稳定性 磁重联 自适应网格细化
Abstract磁重联在太阳耀斑过程中扮演着重要角色。积累在磁场中的能量通过磁重 联过程快速释放出来,转化为等离子体动能、热能,并加速了高能粒子。在双带 耀斑过程中,有很长的电流片形成,这些电流片的大尺度的结构一般为从太阳 耀斑向上一直延伸至日冕高层。随着电流片变得薄而长,当它的长度与厚度比 值超过2¼时,电流片内的电阻不稳定模,如撕裂模发展起来,该不稳定模的发展 倾向于将电流片撕裂成分离的电流细丝及相应的磁岛结构。在该过程中,磁场 的拓扑结构被改变,磁能释放。这是非稳态的磁重联过程,并可能出现爆发式 重联。撕裂模不稳定性的研究对理解耀斑等爆发活动中的重联有重要意义。对 于这样的非稳态的重联问题,因为求解非线性磁流体方程组的困难,数值实验 成为研究磁重联的重要方法。 我们使用有限差分法求MHD方程组,它是数值模拟中常见的方法,差分的 精度随网格间距的减小而提高。然而由于受限于数值计算的条件,主要是计算 机计算能力的限制,在磁重联扩散区的高分辨率的演化图象还需进一步的研究。 因此,我们尝试在已有的磁流体计算程序中使用自适应网格技术,对程序进行 改造,另外在高磁雷诺数环境下进行了磁重联模拟,本部分工作主要包括以下 两方面的内容: 一、对现有的成熟的磁流体力学问题计算程序SHASTA进行改造。SHASTA是 求解二维磁流体动力学问题的单一网格程序。在我们将其用于磁重联问题的数 值模拟时,我们对它进行了修改,使之成为采用自适应网格方法的程序,可以针 对扩散区进行细化计算,模拟二维非稳态的磁重联过程。在SHASTA程序的自 适应计算实现过程中,我们采用了插入式的自适应修改策略,原二维磁流体力 学偏微分方程的求解算法被作为独立单元使用。我们使用分层的数据结构,将 每个细化层次的物理量用二维可变数组描述,并标记磁场和压强分布的陡变区 为细化区域,再通过插值的方法得到细化层网格点上的物理量分布和边界条件, 最后细化区域的计算结果被赋予给其上一层网格,并对其内容进行更新。采用 细化计算进行的磁重联的模拟实验表明,相比单一网格计算,细节分辨率得到 提高,相应的计算时间的增加则与模拟中的参数选择有关;而自适应程序部分 带来的计算精度和稳定性的影响则依赖于边界设置、单步长的推进策略和插值算法。 二、模拟了高磁雷诺数环境的双带耀斑中的磁重联过程。在磁重联过程中, 电流片内的电导率是至关重要的因素,磁重联发生的快慢受到它的制约和影响。 在太阳日冕大气中,电导率很高,日冕环境中典型的磁雷诺数高达106 » 1012, 因此在高磁雷诺数环境的磁重联模拟对理解双带耀斑过程中的能量释放等过程 具有重要意义。相对于已有的研究,本工作中进行了磁雷诺数104以上的磁重联 数值模拟。
Subject Area天文学
Pages90
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/6606
Collection太阳物理研究组
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GB/T 7714
沈呈彩. 双带耀斑过程中非稳态磁重联的数值模拟[D]. 北京. 中国科学院研究生院(云南天文台),2009.
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