發(fā)布時間：2018-07-16 18:34

【摘要】：隨著等離子體實驗診斷和空間衛(wèi)星觀測技術(shù)的發(fā)展、特別是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施《空間環(huán)境地面模擬裝置》空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)(SPERF)的建設(shè)和“磁層多尺度過程”(MMS)國際衛(wèi)星探測計劃的啟動,對電子慣性尺度內(nèi)電子動力學(xué)行為的研究吸引了物理學(xué)家和空間科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。然而作為研究等離子體的重要手段之一,針對電子動力學(xué)行為研究的數(shù)值模擬方法的發(fā)展還不完善:只有流體近似的電子磁流體(EMHD)模型程序,沒有研究動理學(xué)效應(yīng)的模擬程序。因此,發(fā)展針對于電子動力學(xué)行為研究的粒子模擬模型并開發(fā)相應(yīng)的程序編碼迫在眉捷。為了更好的研究時空尺度在電子慣性尺度的小空間范圍和快時間尺度的物理過程,我們提出發(fā)展EPIC(Electron Particle-in-Cell)模型。EPIC模型是將電子視為粒子,利用在PIC(Particle-in-Cell)程序處理,而對離子采用流體描述,可以在考慮離子的大尺度流體運動的同時有效的對電子動力學(xué)行為進(jìn)行深入的動理學(xué)模擬研究。本文詳細(xì)介紹了EPIC模型的物理基礎(chǔ),從EPIC模型基本假設(shè)出發(fā)、建立了EPIC模型方程組;在快尺度近似下對EPIC模型方程進(jìn)行簡化處理,得到程序編寫所使用的模型方程。然后,我們在EPIC模型的理論框架下進(jìn)一步構(gòu)建了EPIC數(shù)值模擬方法的基本流程,并在流程圖的指導(dǎo)下分別構(gòu)建了坐標(biāo)系、YEE網(wǎng)格,權(quán)重處理的程序?qū)崿F(xiàn)方法。同時根據(jù)EPIC模型自身特點設(shè)計了二維YEE網(wǎng)格圖,對電磁場方程進(jìn)行了離散化處理。而后給出了電磁場由半網(wǎng)格量轉(zhuǎn)化成整點網(wǎng)格量的方法,最后討論了程序的計算穩(wěn)定性條件和電子在邊界上的處理方法。最終完成EPIC模型的數(shù)值程序代碼的編寫。利用編寫的EPIC程序,我們對空間等離子體磁重聯(lián)過程進(jìn)行模擬,完成了程序的驗證,并進(jìn)一步取得了初步研究成果。在介紹了磁重聯(lián)相關(guān)的基本理論以及常見的磁重聯(lián)模型的基礎(chǔ)上,分析了磁重聯(lián)過程中Hall四極場的形成。隨后利用EPIC數(shù)值模擬程序?qū)Φ厍虼盼驳拇胖芈?lián)現(xiàn)象進(jìn)行了模擬,得到了已知的磁重聯(lián)現(xiàn)象的基本物理特征,驗證了程序的正確性。進(jìn)而利用EPIC模型程序?qū)︱?qū)動磁重聯(lián)過程進(jìn)行了研究,取得了初步成果:發(fā)現(xiàn)外部驅(qū)動流的大小對Hall四極場和重聯(lián)率有顯著影響,驅(qū)動流的增大可以明顯增強(qiáng)Hall四極場結(jié)構(gòu)并提高了磁重聯(lián)的重聯(lián)率;同時也分析了驅(qū)動流分布對重聯(lián)率的影響,發(fā)現(xiàn)隨著驅(qū)動流空間分布寬度的增大,重聯(lián)率在整體上呈上升趨勢。這些工作為利用EPIC開展電子慣性尺度上各種物理過程的研究奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:With the development of plasma experimental diagnosis and space satellite observation technology, In particular, the construction of the Space Plasma Environment Simulation and Research system (SPERF) and the launch of the "Magnetospheric Multiscale process" (MMS) International Satellite Exploration Program, The study of electron dynamics in electron inertial scale has attracted the attention of physicists and space scientists. However, as one of the most important methods to study plasma, the numerical simulation method for the study of electron dynamic behavior is not perfect: only the fluid approximate electron magnetic fluid (EMHD) model program, and no simulation program to study the kinetic effect are available. Therefore, the particle simulation model for the study of electron dynamics behavior is developed and the corresponding program codes are developed. In order to better study the physical process of space-time scale in the small space range of electronic inertial scale and fast time scale, we propose to develop epic (Electron Particle-in-Cell) model. Epic model is to treat electrons as particles and process them in PIC (Particle-in-Cell) program. When the ion is described by fluid, it can be used to simulate the electronic dynamic behavior effectively while considering the large scale fluid motion of ions. In this paper, the physical foundation of epic model is introduced in detail. Based on the basic hypothesis of epic model, the epic model equations are established, and the epic model equations are simplified under the fast scale approximation, and the model equations used in programming are obtained. Then, under the theoretical framework of epic model, we further construct the basic flow chart of epic numerical simulation method, and under the guidance of flow chart, construct the program realization method of coordinate system Yee grid and weight processing separately. At the same time, according to the characteristics of epic model, the two-dimensional Yee grid diagram is designed, and the electromagnetic field equation is discretized. Then the method of converting electromagnetic field from semi-grid to full-point grid is given. Finally, the computational stability condition of the program and the method of dealing with the electron on the boundary are discussed. The final completion of epic model of the numerical program code. By using the epic program, we simulated the magnetic reconnection process of space plasma, completed the verification of the program, and obtained the preliminary research results. Based on the introduction of the basic theory of magnetic reconnection correlation and the common magnetic reconnection model, the formation of Hall quadrupole field in magnetic reconnection process is analyzed. Then the magnetic reconnection phenomenon of the earth's magnetic tail is simulated by using epic numerical simulation program. The basic physical characteristics of the known magnetic reconnection phenomenon are obtained and the correctness of the program is verified. Furthermore, the process of driving magnetic reconnection is studied by epic model program. The results show that the size of external driving flow has a significant influence on the Hall quadrupole field and reconnection rate. The increase of driving flow can obviously enhance the Hall quadrupole structure and increase the reconnection rate of magnetic reconnection, at the same time, the influence of driving flow distribution on reconnection rate is analyzed. It is found that with the increase of driving flow spatial distribution width, The reconnection rate showed an upward trend on the whole. These work have laid a foundation for the study of various physical processes on the electronic inertial scale using epic.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V419.2

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本文編號：2127273