向阳侧磁层顶非对称驱动重联的数值研究

采用二维可压缩模型 ,数值研究向阳侧磁层顶非对称驱动重联过程 .假设初始时刻系统处于磁静平衡态 ,对交界面两则温度相同Tm0 /Ts0 =1 .0 ,而磁场强度比分别为Bm0 /Bs0 =1 .0 ,1 .5 ,2 .0 ,2 .5 ;以及两侧温度比Tm0 /Ts0 =2 .0 ,磁场强度比Bm0 /Bs0 =1 .5 ,5种情况做数值实验 (Bm0 ,Tm0 和Bs0 ,Ts0 分别表示电流片外磁层侧与磁鞘侧初始磁场与初始温度 ) .数值结果表明 :当磁鞘侧磁场取为南向时 ,在边界入流的持续作用下 ,5个算例均展示出多重气泡状磁结构的重复形成 .并且 ,一些“磁气泡”在向上运动时聚合成较大尺度的等离子体团 ,而另一些则单独地依次撤离计算域 ,从而产生具有不同尺度 ,不同时间间隔的等离子体团事件 ,清晰地表现出磁场重联的脉动式特征 .数值结果还表明 :这些多重气泡状磁结构相对周围介质而言是高温、高密度区 .它们的形成和演化可以产生法向磁场分量的双极特征或波动型变化 ,这在一定程度上反映了FTEs的观测特征 .     

三维磁重联观测研究进展

磁重联是等离子体中最主要的能量转换过程, 在耀斑、CME和磁层亚暴等空间等离子体物理和空间天气学过程以及磁约束核聚变的磁流体力学稳定性研究中起着关键作用, 是等离子体物理的一个基本问题. 除周期性边界条件, 如环形磁约束核聚变装置外, 一般情况下三维磁重联都发生在以磁零点为基点的磁场拓扑分形面上. 本文简要介绍三维磁重联中磁零点的理论和卫星观测进展, 并对今后的发展作一简要分析.     

三维Hall MHD数值模拟中初始载流子对场向电流分布的影响

用Hall MHD数值模拟的方法研究了Hall等离子体中不同初始粒子载流情形下磁场拓扑形态结构的改变以及场向电流与Alfven波的产生．在考虑了初始离子载流子的影响后，模拟结果中磁场的拓扑形态结构更加复杂．模拟结果中除了传统的By四极结构以外，还出现了一个与传统By四极结构相反的反四极结构，这种结构的出现使Hall MHD理论能解释完全电子载流情形下不能解释的观测现象，作为事例给出了Cluster卫星观测事例．同时还得出以下几个非常有意义的结果：1）受Hall效应影响的区域（空间变化尺度小于或相当离子回旋半径的区域）电子与离子分离．在非Hall效应影响的大部分区域，受初始离子＋y方向运动的影响整个磁结构向＋y方向偏移；而在受Hall影响的较小区域，受电子运动影响磁力线向-y方向弯曲．随之，By产生；2）由于By的出现，场向电流（FACs）产生．与完全电子载流的情形相比，结果中场向电流分布的中心随离子载流比例的增加向＋y方向偏移，场向电流主要分布在y〉0的区域；3）模拟结果中Ae≈0．76，Ai≈1．36，Ae×Ai≈1．03，完全符合Hall等离子体中的瓦伦关系，证实了Alfven波的存在．     

行星际磁云边界层中的磁重联结构

介绍Wind飞船跨越1997年5月15日磁云边界层时的观测分析结果.分析发现, Wind飞船在距地球约190个地球半径处于07:35~08:50UT期间观测到一个磁重联耗散区, 主要的磁重联信号包括: (ⅰ) 重联反向流在08:10UT附近被观测到, 速度分别为≈65和41 km/s, 其夹角为≈142°; (ⅱ) Hall磁场被观测到, 如x-z平面外的Hall磁场是叠加在约为≈2 nT的称引导场上的-B_y 和+ B_y , 幅度达≈7.0 nT, 大约为总磁场的41%; (ⅲ) 重联区内Alfven涨落明显增强, 特别在前边界(0735 UT)附近可看到慢模性质的界面; (ⅳ) 离子在重联层内明显加热, 温度快速增大达3倍. 电子也加热, 但不如离子显著. 上述观测表明, 磁重联可以发生于行星际空间, 这无论对发展磁重联理论还是对行星际物理过程的认识, 都将是重要的.     

行星际空间中的磁重联事件

对１９７５￣１９８１年间Ｈｅｌｉｏｓ飞船的０．１８ｈ平均的磁场和等离子体测量予以了分析，发现行星际空间存在磁重联现象，通过重建方位角φ平面磁场位形的物理图象看到，时间尺度为天（ｄ）的磁重联事件－由一个介体（等离体团）和位于两侧的磁中性线（分隔区）构成，是行星际磁重联现象的一种重要表现形式，它可能源于日冕物质抛射事件或磁云，原理性的数值模拟再现了磁重联事件的基本观测特征。     

THEMIS星座对2008年2月26日磁层亚暴的观测--磁尾重联触发的亚暴分析研究

本文利用THEMIS卫星结合地面极光和地磁的观测,研究了2008年2月26日04：05和04：55UT的两次亚暴事件.Angelopoulos已经对发生在04：55UT的第二个亚暴事件做了分析.本文对两次亚暴的相关活动进行了详细研究,特别对第一次做了深入讨论,并着重分析了磁重联与亚暴活动的关系.在两次亚暴的初始阶段,第一次极光增亮发生在中磁尾磁重联后2～3min,但是持续时间较短,极向膨胀缓慢,与伪暴的特征相似,标志了亚暴的初突发（initial onset）.两次亚暴都存在第二次极光增亮和极光的极向膨胀,且时间与近地磁尾观测的地向流和磁场偶极化同时发生,并与亚暴膨胀相的其他活动的发生同步,标志了亚暴的主突发（major onset）.在两次亚暴的增长相期间,极盖区开放磁通量持续增加;在亚暴膨胀相和恢复相中,极盖区磁通量迅速减少.表明两次亚暴膨胀相的演化分别与两次尾瓣开放磁力线重联过程相联系的.从亚暴活动的参数分析,这两次亚暴都属于小亚暴范围;从重联率分析,两次磁重联都属于弱重联.本文的观测结果表明,中磁尾磁尾重联首先触发伪暴;高速流将磁通量和能量传输到近地磁尾;高速流减速最终导致亚暴...更多电流楔（substorm current wedge,简称SCW）的形成和电流中断,产生近地偶极化和极光膨胀,引起亚暴膨胀相突发.本文的观测结果是对近地中性线模型（near earth neutral line,简称NENL）和重联-电流中断协同模型（synthesis scenario of MR and CD,简称RCS）模型及亚暴膨胀相两步突发观点的有力支持.     

行星际磁云边界层特征及边界新定义

分析1967 ~ 1998年间数据较完整的所有70个磁云边界的飞船观测, 提出磁云边界新定义: 它是磁云与背景介质相互作用形成的边界层. 物理特征是: 外边界多是磁重联边界, 温度、密度和等离子体 b 参数多呈现“三高状态”, 内边界是磁云本体未受相互作用影响的边界, 温度、密度和等离子体 b 参数多呈现“三低”状态. 磁云前、后边界层的平均厚度为1.7和3.1 h. 边界层内磁场的分布函数与背景介质和磁云本体有重要变化发生.     

太阳风正负动压脉冲激发磁层ULF波的数值模拟

磁层中的超低频波动（Ultra Low Frequency Wave，简称ULF波）通常被认为是由外界太阳风／行星际磁场扰动或者磁层内部的等离子体不稳定性激发的．当太阳风动压脉冲作用于磁层顶时，可能在磁层内部激发ULF波，从而将太阳风能量输运到地球磁层中．本文利用磁流体力学（MHD）数值模拟研究不同形式的太阳风动压脉冲作用下，在磁层中激发的ULF波的性质．我们主要关注地球磁层对太阳风动压正／负脉冲以及太阳风动压正．负脉冲对的响应．模拟结果表明，幅度和周期均相同的太阳风动压正脉冲和负脉冲，在磁层中所激发的ULF波幅度，周期均相同，然而相位相差180°．另外，对一个太阳风动压正一负脉冲对作用于偶极磁层的情况，在地球磁层内的某些特定区域仍可观察到磁力线共振（FLRs）现象，磁力线共振的区域分布和动压脉冲的周期以及动压脉冲对之间的时间间隔有关．同时模拟计算结果还表明，与单一脉冲相比较而言，在动压脉冲对的作用下，太阳风能量可以传递到地球磁层中更低纬度的区域．因此本文结果可以帮助我们更好地理解太阳风能量通过ULF波形式输运到地球磁层的机制；同时，还可以为研究有关内磁层中能量粒子对不同的行星际激波的响应方式提供线索．     

地球等离子层极紫外波段辐射特性计算

介绍了计算地球等离子体层 He⁺密度分布的动态全球核心等离子体层模式(DGCPM), 模拟了等离子体层结构特性和30.4 nm辐射特性, 与IMAGE卫星观测结果的对比分析表明: (1) 等离子体层顶主要位于5.5 R_E以内, 10 min收缩或扩张的特征尺度约0.1 R_E; (2) 等离子体层肩产生于行星际磁场南向偏转并从晨侧向正午方向旋转; (3) 等离子体层尾在行星际磁场南向偏转时会向昏侧旋转并变窄. 模拟得到从月球上观测时等离子体层位于5.5 R_E以内, 对应月基极紫外相机视场角 10.7°×10.7°; 等离子体层 30.4 nm辐射强度为 0.1~11.4 Rayleigh; 首次从侧面模拟出了等离子体层肩和尾结构, 其空间变化尺度量级为0.1 R_E. 以上计算结果为月基极紫外相机参数设计提供了重要理论依据.     

日冕物质抛射和冕流结构相互作用的数值研究

采用具有同心圆形闭磁场结构的二维模型作为日冕物质抛射(CME)的触发模型,并使这种触发模型分别在偏离冕流结构对称中心10°和45°的位置浮出,数值模拟这时产生CME事件的特征.模拟结果可以定性解释SOHO飞船观测到的部分CME事件特征, 模拟结果表明: (1) 在两种情况下, 二维触发模型的浮出都可以触发CME事件, 和CME事件相关的磁场结构闭合并呈现非对称性. (2) CME事件的闭磁场结构在向外传播的过程中, 将不断向电流片偏转, 这种偏转效应主要发生在几十个太阳半径的范围内, 最终CME事件沿着电流片传播. (3) 不同位置处浮出触发模型触发的CME事件, 将有不同的磁场位形, 在10°位置浮出触发模型所触发CME事件的磁场结构近似呈圆形, 而在45°浮出触发模型所触发CME事件的内部磁场结构近似呈月牙形.     

介质阻挡放电等离子体流动控制的研究

在等离子体激励因素诱导流场变化实验和数值模拟分析的基础上，探索了介质阻挡放电等离子体流动控制的效应．结果表明湍流模型比层流模型可获得更好的结果．通过平板流动实验与压气机叶栅实验相结合的措施，研究了等离子体对外流、内流加速与抑制流动分离的耦合作用．实验结果表明：等离子体激励可以改变边界层的速度特性；在流速低于20m／s时，等离子体激励可显著改善栅后总压和速度分布特征；流速接近50m／s时，等离子体仍会明显改变总压和速度的最小值；可见，在低速流动条件下，采用等离子体激励方式能达到抑制流动分离的目的．     

中内磁层低能电子通量分布模式

本文根据磁层粒子动力学的基本原理,假定中内磁层的带电粒子为绝热运动,并通过波-粒相互作用,投掷角为各向同性分布,在随时间变化的电磁场中跟踪粒子弹跳平均的对流运动,包括电场漂移、磁场梯度和曲率漂移,同时考虑电子沉降造成的损失,建立了中内磁层低能电子通量分布模式.利用该模式,本文模拟了磁暴期间中内磁层低能电子通量的变化过程,并与卫星观测数据进行了比较.结果表明,模式计算结果与卫星观测数据的变化趋势吻合,对数通量相对于卫星观测结果的均方根（rsm）误差在0.5～1.0.     

类石墨烯材料中电子拓扑性质的研究进展

外场调控是实现高性能多功能量子器件的有效途径。本文综述单双层石墨烯、锗烯、二硫化钼等类石墨烯材料在强自旋轨道耦合、铁磁或反铁磁场、超导近邻效应等联合竞争作用下,通过调节电场、应变场以及偏振光场等产生的新奇拓扑量子效应,包括量子自旋Hall效应、量子反常Hall效应、拓扑超导效应等,并进一步深入介绍拓扑型场效应晶体管的开发和设计。根据目前拓扑性质研究和实验进展情况判断,易规模化生产的类石墨烯材料对未来高性能低功耗量子器件走向应用而言,是非常有前景的候选材料。     

螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计

螺旋波等离子体推力器(HPT)是一种新型的电磁式推力器,其基于螺旋波等离子体在发散磁场中存在的无电流双层效应,加速离子形成高速离子束喷流,从而产生推力.HPT的关键部件包括特定结构的射频天线和一定位型的磁场.本文首先总结了HPT的工作特性,之后具体给出了HPT地面实验原理样机的设计方案,可为进一步的实验研究和推力器优化设计提供理论依据和参考.     

汽车空调系统双蒸发器总成流场的CFD研究

通过对前置、顶置蒸发器总成内空气速度场、压力场的CFD分析，发现前置蒸发器总成中空气在蒸发器入口段产生了较大的气流涡旋，影响了流场的均匀性，另外在顶置蒸发器总成中也存在出风流场不均匀。针对上述问题，对局部结构进行了改进，在前置蒸发器总成进口风道加装导流板，调整了顸置蒸发器出风口开口角度。计算结果表明，结构优化后的流场更加均匀，从而提高了空调系统的性能。     

激励频率对等离子体合成射流的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程模拟了不同激励频率下等离子体合成射流诱导的流场,其中等离子体激励器采用体积力唯象模型模拟.计算结果表明,随着激励频率的增大,激励器诱导的相邻两个涡对的流向间距单调减小,涡对引起的速度波动范围变小,激励频率f=60Hz时,相邻两个周期内所形成的涡对很快融合在一起,下游的流场结构更接近于定常激励的情况.激励频率对等离子体合成射流平均流场几乎没有影响.等离子体激励频率较小时（f〈40Hz）,等离子体合成射流在近壁面区域内的动量随着激励频率的增大而增大,在距壁面较远位置以后,变化趋势相反.     

火星磁层中尾向磁场对O+离子分布的影响

在与地球对比的基础上,采用LB磁场模型,根据由动力学方程求解得到的分布函数,研究了火星磁层中不同尾向磁场条件下来自电离层的O⁺离子沿磁力线的分布。结果发现火星磁尾区O⁺离子通量密度受火星与太阳风相互作用而产生的感应型尾向磁场的影响：（i） 火星磁尾O+离子通量密度随尾向磁场的增强而增大,当尾向磁场由5 nT增大到20 nT时,磁尾2.8 Rm (Rm为火星半径)处O+离子通量密度可增大3倍左右;（ii）火星磁尾O+离子通量密度随内禀磁矩的增大而减小,当内禀磁矩增大半个量级时,磁尾2.8 Rm处O+离子通量密度可减小到25%左右. 根据实际观测得到的O⁺在不同火星磁层区的数据和本文的理论曲线,推测得火星的内禀磁矩约为2×1017 T·cm3,这与美国最新的火星探测飞船MGS观测结果一致.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

基于磁力场与速度场协同的高效微通道磁泳分离

磁泳是实现生化分离的重要手段之一.根据微通道内磁珠运动基本方程导出了影响磁泳分离效率的新因素,即磁场力矢量与流体速度矢量的夹角,提出改善磁力场与流场的协同性是提高磁泳分离效率的重要途径之一,并基于此设计了T型结构微通道磁泳分离芯片.通过建立磁珠运动的二维动力学模型,并运用有限元和龙格库塔法,对微通道内的磁泳分离效率进行了数值模拟研究.结果发现：相同条件下T型微通道分离效率较普通平直微通道明显提高;在高流速下直通道对小粒径磁珠的磁泳分离失效时,T型微通道仍能实现高效分离.进一步分析表明,T型微通道内分离效率提高的本质在于磁力场与流场的协同作用使得磁珠产生更大的偏转速度,从而增加了分离效率.研究结果对磁泳芯片优化设计具有理论指导意义.     

有机发光二极管中多种微观机制共存的有机磁效应

为了探究有机发光二极管(OLEDs)中三重态激子参与的多种机制共同作用下磁场效应的变化规律,揭示复杂环境下OLEDs的性能变化规律,本文在具有较高三重态激子能量的磷光材料m CP中掺入单重态与三重态激子能量共振(ES≈2ET)的荧光染料Rubrene,制备了Rubrene掺杂型的OLEDs.实验发现,掺杂器件的电致发光磁场效应(MEL)表现出了复杂变化,且MEL的低场(B≤5 m T)和高场(5 m T≤B≤500 m T)部分随着掺杂浓度的改变都发生了明显的变化.这些MEL曲线可归结为掺杂体系内超精细相互作用、单重态激子裂变和三重态-三重态激子淬灭三种微观过程共同作用的结果;而不直接产生荧光的三重态激子,可以通过一些自旋混合过程,改变单重态激子的比例,从而对器件发光产生重要影响.器件的工作温度和注入电流密度对磁场效应的影响进一步证实了本研究组的观点.