交换不稳定性广泛存在于工程和自然界中，被认为是木星磁盘内径向物质输运的主要机制之一.本文基于理想磁流体力学理论，考虑了木星内磁层基本物理参数（Feng et al., 2025），获得了未考虑局域近似（扰动波长远小于特征长度）条件下的...
详细信息
交换不稳定性广泛存在于工程和自然界中，被认为是木星磁盘内径向物质输运的主要机制之一.本文基于理想磁流体力学理论，考虑了木星内磁层基本物理参数（Feng et al., 2025），获得了未考虑局域近似（扰动波长远小于特征长度）条件下的木星内磁层交换不稳定性色散关系和不稳定判据；通过理论分析获得了木星内磁层交换不稳定性的主要增长模式与增长率.分析结果显示，在当前的参数条件下，在木卫一环内侧区域交换模式稳定；在木卫一环外侧存在交换模式不稳定区间，理论给出了不稳定性发生的空间位置.结果还表明，在木卫一环外侧的离心力与密度梯度共同驱动了交换不稳定性，而偶极磁场曲率与熵梯度对交换模式起致稳作用.当环向模数小于10时，交换不稳定性增长率随环向模数增大而增长；当环向模数大于10时，增长率趋于饱和.交换不稳定性增长率随径向模数增大而减小.理论分析获得的主导模式与数值模拟中增长率最大模式的环向模数（环向模数为m=13）接近.与文献Newcomb(1961)和Ferrière等（1999）的理论结果对比显示，本文推导获得的理论结果与Ferrière理论模型的不稳定区域基本一致，但是与Newcomb理论模型给出的木卫一外侧全区域不稳定的结果有差异.上述差异主要是因为Newcomb理论模型采用平板构型，未考虑弯曲磁场曲率制稳的影响.对比分析显示，理论结果获得的交换不稳定性主导模式（环向模数13）的增长率与Ferrière理论模型增长率接近，这说明局域近似理论能较好地描述木星内磁层交换不稳定性增长过程.与数值模拟结果相比，理论分析获得的主导模式增长率偏高约一个量级.
针对多介质可压缩流体动力学问题,提出了一种单元中心型二维MMALE(Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法。在拉氏步,流体力学方程组采用中心型间断有限元方法求解。对于混合网格,采用Tipton压力松弛模型更新物理量,用等参坐标法更新物质中心点坐标。界面重构采用一种健壮的MOF(Moment of Fluid)方法。在重映步提出了基于多边形相交的二阶积分守恒重映方法。该方法分为四个部分:多项式重构、多边形相交、积分和后验校正。多边形相交使用"剪裁投影"算法,显著降低了多边形相交算法的复杂度。后验校正是基于MOOD (Multi-dimensional Optimal Order Detection)限制策略,并做了一些改动以适应多介质的计算。数值算例表明,该方法具有二阶的精度和较好的鲁棒性。
暂无评论