MHD simulation of tilt instability during the dynamic FRC magnetic compression process
使用NIMROD代码的MHD模拟研究了动态磁压缩过程中FRC倾斜不稳定性的非线性演化,发现环向流可降低其增长率与饱和幅度并延迟变形,从而实现高达5.3的磁压缩比。
2025-06-25 physics.plasm-ph
Two-fluid tokamak equilibria with reversed magnetic shear and sheared flow
在双流体模型框架下,研究了反向磁剪切和剪切流作用下托卡马克平衡态的变化规律,这可能对内输运势垒的形成起作用。该研究是基于精确的自洽的解决方案,在圆柱形的几何形状,通过它的影响的磁剪切,s,和“环形”(轴向)和“极向”(方位角)离子速度分量上的径向电场,它的剪切和剪切的ExB速度检查。对于广泛的参数制度的实验关注的事实证明,贡献的环向和极向速度和压力梯度项的电场,其剪切和ExB速度剪切是相同的数量级。s通过压力梯度项对ExB速度切变的影响比通过速度项的影响大。结果表明,与MHD一样,磁场剪切和剪切的环向和极向速度在产生电场中起协同作用,因此ExB速度剪切剖面与ITB放电中观察到的一致,但由于压力梯度项的存在,s对电场、电场剪切和ExB速度剪切的影响比MHD中的强。
2005-05-14 physics.plasm-ph
Enhanced dynamo drive for the sawtooth relaxation process due to non-uniform resistivity distribution in a reversed field pinch
本研究通过三维电阻磁流体动力学代码NIMROD模拟,发现反向场箍缩等离子体中与实验相似的非均匀电阻率剖面可引入额外电场,加速磁通量扩散并改变自持反转状态,显著增强发电机效应和锯齿过程。
2025-02-20 physics.plasm-ph
Large-mode-number magnetohydrodynamic instability driven by sheared flows in a tokamak plasma with reversed central shear
本文分析了在具有反向中心剪切的位形中,托卡马克安全因子剖面最小q_min附近的亚阿尔文剪切流层的影响。足够强的速度剪切产生了一个快速增长的Kelvin-Helmholtz(KH)类理想磁流体动力学(MHD)模式与主导模式数m,n ~ 10的广谱。有限电阻率的非线性模拟表明,磁重联附近的波纹所造成的KH样涡,湍流结构的形成,和一个扁平的流动剖面。KH模式相比,双撕裂模式(DTM)占主导地位,在较低的剪切速率。讨论了这些结果在具有内输运势垒的托卡马克装置中的可能应用。
2007-01-12 physics.plasm-ph
Hybrid simulations of FRC merging and compression
本文采用流体电子与全轨道动力学离子的二维混合模拟研究FRC合并与压缩,并与HYM代码的MHD结果对比,揭示初始参数影响及磁镜场促进完全合并的作用。
2025-01-06 physics.plasm-ph
A three-dimensional reduced MHD model consistent with full MHD
在具有各向异性热输运和交叉场质量扩散的粘阻磁流体动力学(MHD)模型的背景下,我们引入了新的三项表示的磁场(背景真空场,场线弯曲和场压缩)和速度($\vec E\times\vec B$流,场对齐流和流体压缩),这是适合于三维处理。一旦表示被插入到MHD方程中,适当的投影算子被应用到法拉第定律和纳维-斯托克斯方程,以获得由连续性和能量方程封闭的标量方程系统。如果背景真空场足够强,并且$β$很低,则MHD波近似地由速度表示中的三项分离,每项包含一个特定的波。因此,通过将适当的项设置为零,我们消除了快磁声波,得到简化的MHD模型。我们还表明,其他两个速度项不压缩的磁场,这使我们能够设置字段压缩项为零内相同的简化模型。下降也场对齐流,得到进一步简化的模型,导致一个完全一致的层次结构的减少和完整的MHD模型的三维等离子体配置。最后,我们讨论了守恒性质,并给出了约化近似成立的条件。我们还表明,通过使用一个排序的方法,减少MHD方程类似,我们从anadministrative方法可以得到通过物理为基础的渐近展开。
2019-10-14 physics.plasm-ph
Effects of reversed magnetic shear on the plasma rotation stabilization of resistive wall modes in tokamaks
本研究利用AEGIS代码探究反磁剪切对托卡马克电阻壁模旋转稳定的影响,发现反磁剪切会拓宽不稳定窗口、降低旋转稳定效果,提高完全抑制所需的旋转频率阈值,对先进托卡马克的旋转稳定提出更严苛要求。
2025-09-01 physics.plasm-ph
Advanced Tokamak: The Strongly Reversed Central Magnetic Shear Profile
本文综述托卡马克强反转剪切剖面的特性、稳定性问题、能量约束优势、产生与维持方式,并列举相关实验、仿真及理论反应堆研究成果,为先进托卡马克稳态商用反应堆研究提供参考。
2024-05-16 physics.plasm-ph
Minimum energy states of the plasma pinch in standard and Hall magnetohydrodynamics
轴对称放松状态的圆柱形等离子体柱被发现解析在标准和霍尔磁流体力学(MHD)通过完整的能量最小化与相应的模型中固有的不变量施加的约束。结果表明,霍尔磁流体的弛豫状态是具有均匀轴向流动和/或刚性角向旋转的无力磁场。由于速度与磁场的耦合,标准磁流体力学中的弛豫态更为复杂。讨论了这些状态在反场箍缩(RFP)中的应用。
2010-08-14 physics.plasm-ph
Weak and reversed magnetic shear effects on internal kink and fishbone modes
State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Technology(先进电磁技术国家重点实验室);International Joint Research Laboratory of Magnetic Confinement Fusion and Plasma Physics(磁约束聚变与等离子体物理国际联合研究中心)
本研究探讨了反向磁剪对托卡马克内部kink和fishbone模式的影响,发现反向磁剪在无高能粒子时抑制kink模式,在有高能粒子时抑制fishbone模式,并通过温度梯度增强稳定作用。
2026-02-09 physics.plasm-ph
Development of a gyrokinetic-MHD energetic particle simulation code Part II: Linear simulations of Alfvén eigenmodes driven by energetic particles
本文开发了混合程序GMEC,结合场向坐标、有限差分、龙格-库塔法和PIC方法,成功实现了托卡马克中高能粒子驱动的环形及反剪切阿尔芬本征模线性模拟验证。
2024-02-22 physics.plasm-ph
Effects of zero and reversed magnetic shear on resistive wall modes in a limiter tokamak plasma
本文解析研究了零磁剪切和反磁剪切对限制器托卡马克中电阻壁模(RWM)的影响,发现芯部反转增强会加剧RWM不稳定性,边缘零剪切区加宽或正剪切增强则起稳定作用,NIMROD计算证实了该结论。
2024-01-11 physics.plasm-ph
Reconstruction of the magnetic perturbation in a toroidal force-free circular plasma: application to the Reversed Field Pinch
本文提出了一种计算圆形截面环形无力等离子体中磁扰动径向分布的新方法。该方法是相当普遍的,可以适用于任何圆形低β等离子体一旦施加适当的边界条件。特别是,由于其特性,它适合于描述反向场箍缩(RFP)配置。环形几何的曲线度规采用磁通坐标描述,磁场用两个独立势的逆变表示。该方法导致一个系统的Newcomb方程在两个独立的潜力模式具有相同的环形n-数和极向模数m耦合的环面。这种描述的优点在于,电势连同度量系数可以以直接的方式与磁场相关。此外,它是形式上简单,并保持了类似的圆柱形处理。实际上,在RFPs中,通常采用圆柱形几何来分析MHD不稳定性。尽管如此,一个更现实的环形几何形状的效果可以发挥重要的作用,实际上通过应用该方法的反向场实验(RFX)等离子体,我们发现,对磁扰动的环形效应是不可忽略的。
2004-10-21 physics.plasm-ph
Effect of magnetic perturbations on the 3D MHD self-organization of shaped tokamak plasmas
在三维非线性磁流体动力学模型的框架下,讨论了磁扰动对托卡马克等离子体螺旋自组织的影响。用\textsc{pixie3d}程序[L. Chacón,Phys. Plasmas { \bf 15},056103(2008)]显示,$n=1$ MP显著地影响这种等离子体的自发准周期锯齿活动。特别地,由$m/n=1/1$和$2/1$ MP诱导的振荡的减轻。这些数值结果提供了一个确认以前的圆形托卡马克模拟,并与托卡马克实验中的RFX-mod和DIII-D设备。在反向场箍缩模拟和实验中也观察到通过MP的锯齿缓解。文中还讨论了多金属片对边缘磁场随机化的影响。
2016-03-11 physics.plasm-ph
Stepped pressure equilibrium with relaxed flow and applications in reversed-field pinch plasmas
多区域弛豫磁流体动力学(MRxMHD)已成功地在三维(3D)位形中构建平衡态。在MRxMHD中,等离子体被切割成由理想界面分隔的子体积,每个子体积都经历弛豫,从而形成岛和混沌。所得到的平衡具有跨越子体积的阶梯式压力分布。阶跃压力平衡规范(SPEC)[S.R. Hudson等人,等离子体19,112502(2012)],以数值计算MRxMHD平衡。在这项工作中,我们已经扩展了SPEC代码来计算MRxMHD平衡与现场对齐的流动和旋转,以下的理论发展,将交叉螺旋和角动量的约束。该代码已经过收敛性验证,并与2D中的Grad-Shafranov求解器进行了比较。我们利用我们的新工具研究了反向场箍缩放电崩溃前后的流场变化,其中平行流的数据是可用的。我们发现,有希望的结果,在交叉螺旋度和角动量的约束下,平行流剖面碰撞后SPEC平衡是平坦的等离子体核心和流量的振幅匹配的实验观察。最后,我们提供了一个例子平衡与三维螺旋场结构作为有利的较低的能量状态。这将是第一个3D数值平衡,其中流动效应是自洽计算的。
2020-01-20 physics.plasm-ph
Magnetic Levitation and Compression of Compact Tori
General Fusion的磁压缩实验是一项重复性非破坏性试验,旨在研究磁靶聚变压缩的等离子体物理。一个紧凑的环面(CT)形成一个同轴枪到一个安全壳区域与沙漏形的内部磁通量保持器,和一个绝缘外壁。外部线圈电流使CT远离外壁(径向悬浮),然后迅速向内压缩。优化的外部线圈配置大大提高了悬浮CT的使用寿命和发射率,并在压缩过程中保持良好的通量。如光谱仪数据所证实的,改进的悬浮场分布通过在形成过程中抑制等离子体与绝缘外壁之间的相互作用来降低等离子体杂质水平。在磁压缩下,尽管普遍存在不稳定性(被认为是外部扭结),但通常观察到磁场、密度和离子温度显著增加。将悬浮线圈电流的衰减率与内部CT电流的衰减率相匹配,导致与悬浮场无意压缩相关的MHD活动水平降低,并且长寿命CT的概率更高。一个轴对称的有限元MHD代码,保存系统的能量,粒子计数,角动量,和环形磁通量,被开发来研究CT形成到一个悬浮场和磁压缩。概述了主要的实验观察,模拟和实验诊断之间的比较。
2020-03-23 physics.plasm-ph
A globally conservative finite element MHD code and its application to the study of compact torus formation, levitation and magnetic compression
开发了基于线性有限元离散微分算子的DELiTE框架,实现了确保能量、粒子数、环向通量和角动量全局守恒的单流体双温MHD代码,并成功应用于紧凑环形成、磁悬浮与磁压缩实验的数值模拟与诊断比较。
2024-04-26 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Magnetic Compression of Compact Tori Experiment and Simulation
University of Saskatchewan(萨斯喀彻温大学)
本研究通过磁压缩实验与模拟,改进了等离子体约束与压缩技术,提高了CT寿命和磁流守恒效率。
2026-01-27 physics.plasm-ph
Lagrangian Statistics of Navier-Stokes- and MHD-Turbulence
我们报告的高分辨率数值模拟的拉格朗日粒子平流不可压缩湍流水和磁流体动力学(MHD)流的比较。在Navier-Stokes情况下,数值模拟使用了多达$1024^3$配置点和1000万个粒子,在MHD情况下,使用了多达$512^3$配置点和100万个粒子。在流体动力学的情况下,我们的研究结果与最近的实验从Mordant等人。[1]和Xu等人。[2]。它们与Biferale等人的模拟不同。[3]由于用于评估结构函数所选择的范围的差异。在Navier-Stokes湍流中,不稳定性比[3]中的多重分形方法预测的要强,而在MHD湍流中,多重分形方法的预测比我们模拟中观察到的更间歇。此外,我们的模拟表明,拉格朗日Navier-Stokes湍流是更间歇性比MHD湍流,而在欧拉的情况下,情况正好相反。这些发现不能一致地描述的多重分形模型。关键的一点是,耗散结构的几何形状有不同的含义拉格朗日和欧拉的不连续性。应用多重分形方法对加速度PDF进行建模,对于Navier-Stokes情况效果很好,但在MHD情况下,只对尾部进行了很好的描述。
2007-02-14 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Invariant regimes of Spencer scaling law for magnetic compression of rotating FRC plasma
本文通过NIMROD模拟与Spencer一维理论对比,证明旋转FRC磁压缩的压强和半径标度在压缩比达6时保持不变,并揭示其源于角动量守恒。
2024-06-11 physics.plasm-ph
Self-consistent simulation of compressional Alfvén eigenmodes excited by runaway electrons
在实验中观察到托卡马克破裂电流猝灭(CQ)阶段的阿尔夫文模。在DIII-D中,这些模式的激发与高能逃逸电子的存在相关联,并且强模式激发通常与RE平台形成的失败相关联。在这项工作中,我们提出了自洽的动力学MHD模拟的RE驱动的压缩阿尔文本征模(CAE)在DIII-D中断的情况下,提供了一个解释的CQ模式。模拟结果表明,高能俘获RE通过其进动运动与Alfvén模发生共振,共振频率与RE能量成正比,模式频率及其与RE能量的关系与实验观察一致.模式扰动的磁场可以导致逃逸电子的空间扩散,包括非共振通过的电子,从而提供了一个潜在的方法来缓解逃逸电子的理论基础。
2023-03-07 physics.plasm-ph
On Magnetic Compression in Gyrokinetic Field Theory
本文在陀螺动力学场论中引入有限磁压缩效应,证明低β等离子体中曲率与grad-B漂移差及压缩性对电流散度的贡献在β阶内抵消,恢复线性气球模结论。
2024-05-29 physics.plasm-ph
Wavelet transforms and their applications to MHD and plasma turbulence: a review
介绍了小波分析和压缩工具在磁流体力学和等离子体湍流研究中的不同应用。本文介绍了连续小波变换和正交小波变换,详细介绍了几种基于小波系数的统计诊断方法。然后,我们展示了如何提取相干结构的充分发展的湍流使用基于小波去噪。最后介绍了几种基于小波的多尺度数值模拟方法。给出了分析、压缩和计算一、二、三维湍流磁流体或等离子体流的几个例子。
2015-08-23 nlin.AO physics.comp-ph physics.data-an
Shearing box simulations in the Rayleigh unstable regime
研究了两种不同剪切$q=2.1, 4.2$($q = - d\lnΩ/ d\ln r$)值下纯流体动力学和磁流体动力学(MHD)区域中Rayleigh不稳定流的稳定性,并与Keplerian情形$q=1.5$进行了比较.我们发现,$q>2$制度是不稳定的流体动力学和MHD极限(与初始弱磁场)。在这种情况下,速度波动主导的磁场波动。相反,在$q<2$(磁旋转不稳定性(MRI))制度的磁波动占主导地位。这突出了两个不同的路径MHD湍流暗示的两个制度,这表明在$q>2$制度的不稳定性产生主要的速度波动,导致磁波动,与因果关系相反的$q<2$ MRI不稳定制度。我们还发现,磁场的相关性是越来越本地化的剪切力的增加,在瑞利不稳定制度。在计算MHD方程中不同项的空间平均值随时间的演化时,我们发现$q>2$区域主要是由涨落中的非线性项所控制,而对于$q<2$,线性项起着更重要的作用。
2017-01-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Plasmoid-dominated Turbulent Reconnection in a Low $β$ Plasma
采用电阻磁流体动力学(MHD)方法研究了低$β$背景等离子体中等离子体团主导的湍流重联特性。在$β_{\rm in} < 1$区域,其中$β_{\rm in}$是流入区域的等离子体$β$,重联位置由激波和激波相关结构主导,等离子体压缩是显著的。当$β_{\rm in}$减小时,有效重连率从$0.01$增加到$0.02$。我们假设等离子体压缩允许更快的重联率,然后我们估计的加速因子,基于可压缩MHD理论。我们验证了我们的预测通过一系列的MHD模拟。这些结果表明,在日冕的$β\ll 1$环境中,等离子体团占主导地位的重联可以比预期的快两倍。
2020-04-22 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic Simulations of Strongly-Magnetized Parallel Shocks: Deviations from MHD Jump Conditions
激波是天体物理等离子体系统中普遍存在的一种现象,也是能量耗散和传递的重要过程。这些冲击波的物理经常被视为/模拟为碰撞,流体MHD不连续性,尽管事实上,许多冲击发生在无碰撞制度。有鉴于此,使用完全动力学,非相对论,平行传播的电子-正电子等离子体组成的无碰撞冲击的三维模拟,我们详细的偏差无碰撞冲击形式MHD预测不同的磁化/Alfvénic马赫数,特别关注系统的Alfénic马赫数远小于声波马赫数。我们表明,冲击压缩比降低足够大的上游磁场,与Bret & Narayan(2018)的预测一致。此外,我们还研究了磁场强度对冲击波阵面宽度的影响。这项工作加强了越来越多的工作,这些工作表明,仅用流体等离子体描述来建模许多天体物理系统忽略了潜在的重要物理。
2021-10-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Effects of Magnetic Helicity on 3D Equilibria and Self-Organized States in KTX Reversed Field Pinch
该研究利用 MRxMHD 模型和 SPEC 模拟 KTX 反场箍缩平衡,揭示磁螺旋度如何驱动轴对称、双轴螺旋及 QSH 状态转变。
2024-04-06 physics.plasm-ph
Implementation of matrix compression in the coupling of JOREK to realistic 3D conducting wall structures
本研究通过ScaLAPACK库的奇异值分解压缩JOREK与STARWALL/CARIDDI耦合产生的稠密响应矩阵,优化内存使用,解决了ITER托卡马克模拟的计算限制,并在撕裂模和垂直位移事件模拟中验证了有效性。
2024-07-30 physics.plasm-ph
Behavior of Compressed Plasmas in Magnetic Fields
地球磁层中的等离子体在地磁活跃期会受到压缩,而在随后的平静期则会松弛。重复的压缩和弛豫是近地环境中等离子体动力学和不稳定性的起源。压缩的一个可观察到的表现是等离子体片变薄,当太阳风的质量、能量和动量涌入磁层时,导致磁重联,最终形成壮观的极光。这种现象在所有尺度上都有丰富的物理学,它们之间存在因果关系。这对精确建模物理学提出了巨大的挑战。大规模的过程是流体状的,并合理地捕捉在全球磁流体动力学(MHD)模型,但那些在较小的尺度负责耗散和弛豫,反馈到较大尺度的动力学往往是在动力学制度。小尺度过程的自洽产生及其对全局等离子体动力学的反馈仍有待于充分探索。等离子体压缩可导致产生电磁场,该电磁场扭曲粒子轨道并引入超出MHD框架范围的新特征,诸如双极电场、物种之间不相等的等离子体漂移和电流、分离不同特性的等离子体的陀螺层中的强空间和速度梯度,\textit{etc.}这些边界层是以可测量的排放为特征的强烈活动区域。我们研究了这种压缩等离子体的行为,并讨论了松弛机制,以了解其可测量的签名,以及他们的反馈影响全球尺度等离子体演化。
2020-08-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
A 3D Magnetohydrodynamic simulation for the propagation of plasma plume transverse to applied magnetic field
采用三维理想磁流体动力学(MHD)模拟方法,研究了激光等离子体羽流在垂直于等离子体羽流方向的中等强度(0.13 T)磁场中的演化过程。模拟结果表明,等离子体羽流将外部磁场线沿膨胀方向向外推。这导致磁场线的压缩和弯曲。由磁场线的形状和密度的变化产生的力对抗羽流的膨胀。在等离子体/外场界面处形成了一个椭圆形的冲击等离子体层,由于羽流的向外膨胀和惯性,在羽流核中留下了一个空腔。当等离子体压力由于膨胀而下降时,磁能和内能之间的不平衡导致腔的塌陷。这些观测结果与最近进行的实验[Phys. Plasmas 24,033511(2017)]的观测结果具有惊人的相似性,这些实验是为了研究在外部横向磁场存在下等离子体羽流膨胀。这种相似性表明,在中等磁场中控制等离子体羽流膨胀的物理机制在理想MHD区域中得到了恰当的描述。研究表明,激光等离子体羽流可以在简单的实验室装置中进行有趣的MHD现象实验。
2021-08-02 physics.plasm-ph
MHD Rankine-Hugoniot jump conditions for shock waves in van der Waals gases
本文推导了范德瓦尔斯气体中MHD激波的Rankine-Hugoniot跃迁条件,给出了激波强度表达式及简化关系,并分析了磁场强度和非理想性参数对激波参数的影响。
2025-07-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration in strong MHD turbulence
磁流体动力学(MHD)湍流中粒子的非热加速在许多天体物理场中起着重要作用。这个物理是在强湍流的背景下解决的,由相干结构而不是波组成,超出了准线性理论的范围。本说明书按照原始费米方案的精神,通过一系列帧来跟踪粒子的动量,其中电场消失。它将能量增益(或损失)的来源与磁场线的速度梯度(特别是沿场线方向投影的它们的速度流的加速度和剪切)以及它们在横向平面中的压缩相联系。这些速度梯度受到强烈的不稳定性:它们是空间局部化的,其强度服从幂律分布,如通过约翰霍普金斯大学数据库的不可压缩MHD模拟中的直接测量所示。这种不稳定性以一种重要的方式影响了加速过程,这为丰富的现象学开辟了前景。特别是,动量分布,这是在这里捕获通过分析随机游走模型,显示扩展的幂律尾巴与软到硬的演变的时间,在一般协议与最近的动力学数值模拟。扩展这种描述和可能的探索途径进行了讨论。
2021-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Enhanced Preconditioner for JOREK MHD Solver
JOREK扩展磁流体动力学(MHD)程序是一种广泛应用于偏滤器托卡马克等离子体大尺度不稳定性非线性动力学研究的模拟程序。由于这些现象在空间和时间上固有的大尺度分离,现实几何形状和现实参数的模拟的计算成本可能非常高,从而促使投资相当大的努力进行优化。在这篇文章中,介绍了一组关于JOREK求解器和预处理器的开发,这些开发为大型生产模拟带来了显著的整体效益。这尤其包括在高度非线性情况下的增强收敛以及内存消耗和计算成本的普遍降低。这些发展包括更快的建设预处理矩阵,域分解的预处理矩阵的求解器库,可以处理分布式矩阵,接口额外的求解器库,一个选项,使用矩阵压缩方法,并实现一个复杂的求解器接口的预处理器。提出的最重要的发展包括在一个概括的物理为基础的预处理“模式组”,它允许占主导地位的相互作用之间的高度非线性模拟的环形傅立叶模式。以适度增加内存消耗为代价,该技术可以在适当的情况下强烈增强收敛,允许使用显着更大的时间步长。对于所有的发展,基于典型的仿真案例的基准测试证明了由此产生的改进。
2021-03-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
How a realistic magnetosphere alters the polarizations of surface, fast magnetosonic, and Alfvén waves
系统尺度的磁流体动力学(MHD)波在地球磁层内的理论上往往理解使用箱模型。虽然这些在理解各种波模式的许多基本特征方面具有很大的指导意义,但它们忽略了地球空间的复杂性,如不均匀性和曲线几何形状。在这里,我们展示了全球磁流体动力学模拟共振波脉冲激发的太阳风压力脉冲。虽然许多方面的表面,快磁声(腔/波导),和阿尔文模式目前同意的盒子和轴对称偶极子模型,我们发现一些预测的大规模波显着改变在一个现实的磁层。快模转折点和阿尔文共振位置的径向排序甚至可以与单调的波速相反。沿场线的附加节点(不存在于位移/速度中)出现在磁场的垂直分量和压缩分量中。在磁层顶附近,磁场的垂直振荡具有与速度相反的旋向。最后,广泛使用的驻波检测技术,无论是跨场还是沿场,都可能无法识别它们的存在。我们解释了所有这些功能时产生的MHD方程占一个不均匀的背景场,并提出修改后的方法,可能适用于航天器的观测。
2022-01-31 astro-ph.EP physics.plasm-ph physics.space-ph
Tracing the ICME plasma with a MHD simulation
行星际日冕物质抛射(ICME)等离子体化学成分的确定是一个悬而未决的问题。更具体地说,人们还没有完全理解在太阳扰动期间对日冕等离子体的遥感观测如何演变成远离太阳的原地测量的等离子体特性。背景行星际等离子体的环境条件对空间天气很重要,因为它们影响扰动的演化、到达时间和地球效应。RIMAP(Reverse In Situ and MHD APproach)是一种直接利用1天文单位(AU)观测数据重建黄道面(包括磁帕克螺线)日光层的技术。它结合了分析和数值方法,保留了小尺度的风流线的纵向变化。在这项工作中,我们使用RIMAP来测试ICME与行星际介质的相互作用。我们的传播模型的均匀非磁化(即没有内部磁绳)云开始在800公里s-1在0.1 AU到1.1 AU。我们用PLUTO MHD代码进行的3D磁流体动力学(MHD)模拟显示,在ICME之前形成了一个压缩锋,不断受到云膨胀的驱动。使用被动示踪剂,我们发现,最初的ICME材料在其传播过程中不碎片后面的前面,我们量化的传播等离子体云与周围的太阳风等离子体,这可以检测到在1 AU的混合。
2022-11-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Spectrum of multi-region-relaxed magnetohydrodynamic modes in topologically toroidal geometry
本文给出了计算磁约束环形等离子体线性化扰动的稳定和不稳定本征模谱问题的一般公式。分析是基于一个新的磁流体动力学模型,多区域松弛磁流体动力学(MRxMHD),该模型的等离子体磁场系统作为多个区域组成,包含可压缩的欧拉流体和泰勒松弛磁场,分离的灵活的理想MHD电流片。这是说明使用第一性原理分析的两个区域板的几何形状,与周期性的边界条件来模拟典型的托卡马克或反向场箍缩等离子体的外部区域。计算了对撕裂模和扭结撕裂模不稳定的等离子体的最低和次低本征值。非常接近边际稳定性的最低模式使用不可压缩近似的动能归一化本研究中得到的对应于在以前的研究中发现的特征值较少的物理归一化。
2016-11-15 physics.plasm-ph
MHD simulations on the large-scale propagation of high-speed solar wind streams
Columbia Astrophysics Laboratory, Columbia University(哥伦比亚大学天体物理实验室,哥伦比亚大学)
本文通过三维磁流体动力学模拟研究高速太阳风流从日球层到1AU的传播,发现传统诊断方法无法准确追踪等离子体演变,而基于速度的关系更可靠。交互区域主导流演变,形成边界层并影响观测结果。
2026-05-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Plasma compression in magnetic reconnection regions in the solar corona
有人提出,粒子之间的反弹磁化流收敛在重联区可以加速的一阶费米机制。对这种机制的分析表明,加速粒子的谱指数与重联区内的总等离子体压缩有关,类似于扩散激波加速机制的情况。作为第一步调查费米加速在重联区的效率,在产生硬能谱的粒子在日华,我们探索的程度,可以实现在重联网站的等离子体压缩。特别是,我们的目标是确定强压缩形成的条件。利用二维电阻MHD数值模型,我们考虑了一组磁场配置,其中磁重联可以发生包括哈里斯电流片,无力电流片,和两个合并磁通绳。等离子体参数被认为是日华的特征。数值模拟结果表明,当通过快速热传导或辐射冷却过程有效地消除重联引起的等离子体加热时,在重联区可以形成强等离子体压缩($\geq 4$)。辐射冷却过程在典型的1 MK日冕中可以忽略不计,但在低日冕/过渡区中却起着重要的作用。发现在重联磁零点处,低β等离子体$β\sim 0.01-0.07$中的等离子体压缩预计最强。
2016-04-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Three-dimensional simulations of the magnetorotational instability in eccentric disks
本文通过三维模拟研究垂直重力对偏心盘磁旋转不稳定性湍流的影响,发现其使 alpha 参数保持约 0.01,并显著加速质量与偏心率分布演化,为潮汐瓦解事件晚期辐射供能提供解释。
2025-05-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Compression Acceleration of Protons and Heavier Ions at the Heliospheric Current Sheet
本研究通过大尺度MHD模拟求解高能粒子输运方程,探究日球层电流片磁重联中质子与重离子的压缩加速机制,得到与PSP观测相符的幂律谱,并分析了高能截止能量与荷质比的标度关系。
2024-08-21 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonlinear turbulent dynamo during gravitational collapse
通过湍流发电机的放大,磁场可能对第一批恒星的形成具有潜在的重要性。为了研究原初气体引力坍缩过程中的发电机行为,我们将非线性湍流发电机理论扩展到包括引力压缩效应。发电机和压缩之间的相对重要性在收缩过程中变化,随着密度的增加,磁场的放大从发电机为主过渡到压缩为主。在磁场放大的非线性阶段,由于湍流与磁场的能量按尺度平均分配,理想磁流体动力学(MHD)湍流中磁场的重联扩散就显得尤为重要。它导致磁通冻结条件的破坏,并解释了(a)非线性发电机的小增长率,(b)在收缩过程中磁能对密度的弱依赖性,(c)饱和磁能,以及(d)磁场的大关联长度。由此产生的磁场结构和磁场强度与密度的比例关系与磁通冻结的预期完全不同。
2020-07-21 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
A Lagrangian model for the evolution of turbulent magnetic and passive scalar fields
在本文中,我们提出了一个扩展的\emph{Recent Fluid Deformation (RFD)}封闭Chevillard和Meneveau(2006年),这是发展的不可压Navier-Stokes湍流的拉格朗日波动的时间演化模拟。我们应用RFD闭包来研究磁场和被动标量涨落的演化。这种比较是特别有趣的,因为磁场和被动标量的梯度的拉伸项是相似的,但有一个符号不同,使得湍流速度场的拉伸和压缩的效果是相反的。概率密度函数(PDF)的磁波动和波动的梯度从RFD封闭获得的被动标量进行比较,对PDF从直接数值模拟。
2010-12-08 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Three-dimensional simulation of the fast solar wind driven by compressible magnetohydrodynamic turbulence
利用三维可压缩磁流体动力学(MHD)模拟,我们再现了快速太阳风在一个直接和自洽的方式,基于波/湍流驱动的情况下。作为阿尔文扰动在其底部的自然结果,高度压缩和湍流波动产生,导致加热和加速的太阳风。功率谱和结构函数的分析表明,湍流的特点是它的不平衡(在向外阿尔芬波动的意义上)和各向异性的性质。密度波动起源于向外传播的阿尔芬波的参数衰减不稳定性,并在触发湍流的阿尔芬波反射中起着重要作用。我们的结论是,快速太阳风加热和加速的可压缩MHD湍流驱动的参数衰减不稳定性和合成阿尔芬波反射。
2019-07-19 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Large-scale Compression Acceleration during Magnetic Reconnection in a Low-$β$ Plasma
在太阳耀斑和其他天体物理系统中,与磁重联相关的粒子加速问题的一个主要挑战是动力学尺度和观测到的重联尺度之间的巨大尺度分离。正因为如此,仅仅使用动力学模拟很难得出任何明确的结论。求解高能粒子输运方程的粒子加速模型可以捕获动力学模拟中发现的主要加速物理,从而提供一种实用的方法来进行可观测的预测并直接将模型结果与观测结果进行比较。在这里,我们研究磁重联中的压缩粒子加速通过求解帕克(扩散-平流)输运方程使用速度和磁场从二维高Lundquist数磁流体力学(MHD)模拟的低$β$重联层。我们发现,可压缩重联层可以给显着的粒子加速,导致幂律粒子能量分布的形成。我们分析了加速率,发现重联层中的加速是一阶和二阶费米过程的混合。当包括一个引导场,我们发现光谱变得陡峭,幂律截止能量和最大粒子能量降低等离子体变得更难压缩。该模型产生的二维粒子分布可以用来生成辐射图,并直接与太阳耀斑观测结果进行比较。这提供了一个框架来解释粒子加速在大规模天体物理重联网站,如太阳耀斑。
2018-10-05 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Effects of forcing mechanisms on the multiscale properties of magnetohydrodynamics
我们进行了数值模拟,以研究磁流体动力学(MHD)的大规模随机强迫机制参数化的一个参数,$0 \le a \le1$,从直接注入的速度场($a = 1$)的搅拌作用的磁场($a = 0$)。我们研究的能量传递的多尺度特性,通过分裂的通道介导的(i)动力学非线性平流,(ii)的洛伦兹力,(iii)的磁平流和(iv)磁拉伸项的总通量。我们进一步分解的通量在两个子通道中给出的异手性和同手性组件,以区分正向,反向和通量环级联。我们发现,存在一个准奇异的作用的磁强迫机制$a \sim 1$:一个小的注入磁场$a < 1$可以强烈耗尽的平均通量的动能转移整个动力学非线性平流通道。我们还表明,这个可以忽略不计的平均通量是一个通量环之间的平衡的结果,异手性(直接)和同手性(逆)转移。相反,对于其他三个通道,纯手性和杂手性通道都向前传递能量。速度和磁场之间的交叉交换在$a = 0.4$周围是反向的,除了当$a \sim 1$时,我们总是观察到异手性混合速度-磁能三元组倾向于将能量从磁场移动到速度场。我们的研究是一种尝试,以进一步表征MHD动力学的多尺度性质,通过解开不同的属性的总能量传递机制,这可能是有用的,以改善子网格建模。
2021-12-12 physics.flu-dyn physics.plasm-ph physics.space-ph
Exploring extreme magnetization phenomena in directly-driven imploding cylindrical targets
本文采用扩展磁流体动力学(MHD)模拟探索极端磁化等离子体制度可实现的圆柱内爆的欧米茄激光设备。该区域的特征在于高度压缩的磁场(穿过燃料大于10 kT),其包含相当大比例的内爆能量并在等离子体中感应出大电流。参数管理不同的磁化过程,如欧姆耗散和抑制不稳定性的磁张力,允许优化实验,研究具体的现象。例如,添加到目标气体填充物中的掺杂剂可以增强磁通量压缩,同时使得能够对内爆芯进行光谱诊断。特别是,使用Ar K-壳层光谱进行详细的非LTE原子动力学和辐射转移计算的MHD数据的影响。直接测量核心电子密度和温度将是可能的,从而允许获得磁化对最终温度和热压的影响。通过假设磁场冻结到等离子体运动,这是一个很好的近似高度磁化内爆,光谱诊断可以用来估计哪些磁化过程统治内爆动力学,例如,一个关系是用来推断是否热驱动或电流驱动的运输占主导地位。
2021-07-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph