涡旋重联的Hall-MHD模拟及其在高纬磁层顶的应用

应用2.5维可压缩Hall-MHD数值模拟方法研究了高纬磁层顶进入层的磁场重联过程. 当同时考虑Hall效应和流场剪切的效应时, 产生了同心的流体涡旋和磁岛; 在磁层顶两侧看到了等离子体的交换, 磁层顶的边界区趋于模糊; 日下点附近产生的重联结构会在向高纬流动的过程中随着剪切流的增强而产生变化; Hall效应可提高涡旋重联的重联率; Hall效应产生的3维磁场和流场分量在剪切流的作用下重新分布, 使得等离子体交换过程更为复杂. 模拟的结果有助于增进对高纬磁层顶的动力学过程的理解.     

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.     

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.     

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.     

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．     

磁暴期间外辐射带的1.5～6.0MeV电子通量变化

由于CME与CIR的太阳风/行星际磁场结构有所差别,所以在这两种太阳风/行星际结构触发的地球磁暴期间,太阳风等离子体与能量通过磁重联向地球内磁层的注入过程也不相同.因此对于CME引发的磁暴与CIR引发的磁暴,辐射带高能电子通量的变化有显著差异.通过SAMPAX卫星观测的数据,本文分别对54个CME触发的磁暴与26个CIR触发的重现性磁暴期间1.5～6.0MeV电子外辐射带的动态变化进行了研究.结果表明,在主相期间,对于CME磁暴,电子通量在6≤L≤7的区域出现了显著增强.在Dst指数（中值）达到最小值（-201nT）时,外边界的位置移动到L=4附近.对于CIR磁暴,主相期间,没有在6≤L≤7区域观察到通量的显著增强.而当Dst指数（中值）达最小值（-58nT）时,外边界的位置移动到L=5.5附近.在磁暴恢复相期间,对于CME磁暴,外辐射带的位置整体低于磁暴前,在6≤L≤7的区域也出现了电子通量的增强;对于CIR磁暴,外辐射带外边界的位置相比磁暴前有不明显的增高,并且在上述区域没有观察到通量的明显增强.我们发现在绝大多数情况下,1.5～6.0MeV电子的外辐射带电子通量对数衰减1/e截止廓线可以表示出外辐射带外边界的位置.在CME磁暴主相期间,对数衰减1/e截止纬度与Kp指数具有相关性（相关系数为-0.56）.对于CIR磁暴,对数衰减1/e截止纬度与Kp指数也有较好的相关性（相关系数为-0.58）.此外,CME磁暴主相期间,1.5～6.0MeV电子通量最大值的位置（L值）受到磁暴期间Dst指数最小值的控制;整体而言,对于上述两种磁暴,电子通量最大值的位置都随磁暴的增强而降低.多重磁暴是造成外辐射带相对论电子通量变化异常的重要原因之一.     

Ni2MnGa铁磁形状记忆材料

铁磁形状记忆合金 (FSMA)是在一定温度范围马氏体相稳定同时又具铁磁性的一类特殊的形状记忆合金。Ni2MnGa铁磁形状记忆合金近年来成为呈现磁场驱动大应变的新型驱动材料 ,这些应变来自磁场诱发马氏体孪晶的重排 ,而不是磁场对奥氏体至马氏体相变的作用。孪晶变体的重排在宏观上呈现为正或切应变 ,一非化学计量比Ni2 MnGa单晶于室温加 0 .4T磁场能产生6 %的应变 ,Ni Mn Ga单晶在高至 15 0Hz的交变磁场仍可得到 2 .5 %的应变。本文阐述了与这种磁控形状记忆效应相关的孪晶界迁动的磁学和晶体学理论。马氏体相的大磁晶各向异性能使磁化沿c轴方向有利 ,穿过孪晶界c轴刚好转动 90度 ,同时 ,这个孪晶界也构成了约 90度的畴界。在各向异性的情况下 ,孪晶界的迁动仅有相邻孪晶变体的Zeeman能差驱动 ,μ0 ΔMis·Hi。磁场和外应力对应变的影响通过对一简单的自由能表达式取极小值来表示 ,自由能表达式包括Zeeman能、磁晶各向异性能和外应力以及在某些情况下需考虑的内部弹性能 ,模型的所有参数可通过应力 应变曲线和磁化曲线测量得到。铁磁形状记忆合金的磁场诱发应变可类比传统热弹性形状记忆效应 ,与更为人们所熟知的磁致伸缩现象不同。     

非磁性细微颗粒的负磁泳耦合分选规律研究

非磁性细微颗粒的磁泳分离在生物工程、材料工程和环境工程等领域具有广阔的应用前景.为了分选直径非常接近的非磁性微粒,设计了负磁泳耦合的水动力分选器,为了确保分选器具有优异的性能,数值研究了在不同的磁场强度、磁铁个数、微通道参数、入口流速和速度比时, 3, 4, 5μm的3种非磁性颗粒的运动轨迹,计算3种颗粒侧向偏移和颗粒分布带之间的距离(即带间距).结果表明:3种细微颗粒的侧向偏移距离和带间距都随磁场强度和颗粒尺寸的增大而增大;但是颗粒的侧向偏移并不会因为磁铁数量的增加而持续增加;颗粒的分离效果随着入口流速的减小,流速比的增大而提高.此外,当微通道结构参数H_a/H_b越小,不同颗粒分布带之间的距离就越大,不同直径的颗粒就越容易分离;最后,利用微-PIV实验获得了3种颗粒带的分布,并计算颗粒分布带宽和带间距,与数值模拟结果比较发现一致性很好.研究结果对非磁性颗粒分选器的设计具有指导意义.     

超临界CO2池式换热实验与数值模拟研究

超临界传热已进行了广泛研究,但对其现象及机理的认识仍不充分,本文研究了超临界二氧化碳(supercritical,sCO₂)池式传热.实验以长度为22 mm和直径为70 μm铂丝为加热和测温元件,容器压力为8～10 MPa,加热丝热流密度范围为0～1800 kW/m²,显著高于文献中的参数范围.采用变物性层流模型进行流固耦合数值模拟,加热丝附近采用了多尺度网格技术,数值模拟与实验结果吻合良好.发现传热系数h随热流密度q_w的变化呈S形曲线,将h-q_w曲线划分成三个区域.在类临界温度前,因瑞利数Ra随q_w增大而增大,h随q_w增大而增大;当铂丝温度开始超过类临界温度后,由于超临界流体回流效应增强,h继续增大直到获得最大值.随后,由于近壁区类气膜热阻增大,h随q_w增大而减小直到获得极小值.在超过h极小值点后,由于高温下超临界流体导热系数随温度增大而增大,随q_w增大h回复到增大趋势.本文获得了全参数范围内传热系数与热流密度...     

Fe-Mn-Si 形状记忆合金fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力

应用周国治提出的新溶液模型计算所得的Fe Mn Si中γ和ε相的Gibbs自由能 ,并考虑了Si的影响 ,重新导出了γ和ε相随温度变化的热力学参量 .用最小均方根方法将实验值拟合得到合金γ相的Neel温度与组分浓度 (摩尔分数 )的关系式 :TγN=6 7xFe 5 40xMn xFexMn[76 1 6 89(xFe-xMn) ]- 85 0xSi.计算得到不同组分Fe Mn Si合金马氏体相变的临界驱动力ΔGγ→εc ,即合金在Ms 温度γ和ε相的自由能差 ,例如 ,Fe 2 7.0Mn 6 .0Si合金的ΔGγ→εc =- 1 0 0 .99J/mol,Fe 2 6 .9Mn 3.37Si的ΔGγ→εc =- 1 2 2 .1 1J/mol.ΔGγ→εc 与组分的依赖关系符合低层错能合金中fcc(γ)→hcp(ε)马氏体相变的临界驱动力表达式 ,即ΔGγ→εC =A·γ B ,其中γ是层错能 (SFE) ,A和B为与材料相关的常数 .     

界面过渡层对非晶金刚石薄膜电子场发射性能的影响

在Au/Si和Ti/Si和Si 3种不同的衬底材料上 ,通过真空磁过滤弧源沉积技术制备了无氢高sp3 键含量非晶金刚石薄膜 (amorphousdiamond ,AD) .使用阳极覆盖有低压荧光粉的二极管型结构 ,对其电子场发射性能和荧光显示进行了研究 .测试表明 ,衬底过渡层对非晶金刚石薄膜的场发射行为产生重大的影响 .通过二次离子质谱 (SIMS)测试分析了AD/Ti/Si和AD/Si中界面的成分分布 .由于Ti和C之间的互扩散和反应 ,存在一定的浓度梯度 ,形成了衬底和AD薄膜之间良好的接触 ,有效降低了界面的接触势垒高度 ,使电子容易从衬底进入到AD薄膜中去 ,从而显著改善了AD薄膜的电子场发射性能 .在电场强度E =1 9 7V/ μm时 ,获得的电子场发射电流密度为 0 35 2mA/cm2 ,大大高于同场强下AD/Au/Si和Au/Si的数值 .     

降温过程中组织工程用真皮成纤维细胞膜水分渗透特性的实验研究

在优化组织工程化真皮的低温保存程序时, 有必要了解体外培养的真皮成纤维细胞的低温保存特性, 如细胞膜的水分渗透系数和相应的表观活化能等. 以组织工程用真皮成纤维细胞为实验材料, 通过添加少量冰核细菌诱导形成胞外冰, 应用DSC对在降温速率为5℃·min^-1的条件下细胞悬液样品在相变过程中释放的热流量进行了测量. 对所测得的热流曲线计算得出了降温过程中成纤维细胞体积随温度的变化趋势, 并以Karlsson提出的细胞水分渗透模型为理论基础, 对获得的细胞体积变化数据进行了非线性回归的最小二乘优化, 得出了细胞膜的水分渗透率: 参照温度下(0℃)细胞膜对水分的渗透系数L_pg = 5.87×10⁴ μm·min^-1·Pa^-1, 表观活化能E_LP = 308.8 kJ·mol^-1. 将上述参数代入水分渗透模 型, 对在不同的降温速率下(0.01~50℃·min^-1), 冻存过程中成纤维细胞的水分渗透情况进行了模拟, 预测水分渗透过程结束后细胞内未渗透水的数量及保存成纤维细胞时应采取的最佳降温速率.