用于地球磁尾三维磁重联实验的脉冲电源

空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目,其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时,使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场,其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈,而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接,总电感30.16 mH,总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间,研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源,在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过9 kA的峰值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms;用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过8 kA峰的值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。

基于超算暨HPIC-LBM的大时空尺度三维湍流磁重联数值模拟研究

大时空尺度湍流磁重联(LTSTMR)是空间物理、太阳物理、宇宙学领域中一种普遍存在的爆发现象。磁能转移-释放-耗散、等离子体加热及高能粒子加速是研究该类现象的核心内容,而研究湍流在LTSTMR中如何起作用是解决以上问题的关键所在。2D/2.5D磁重联模型因其在物理图像简化方面忽略了自然界爆发现象的3D属性和本质。文中基于新型HPIC-LBM粒子算法,在天河2号平台上开展了LTSTMR十万核心级别的数值实验工作。首次获得了太阳大气活动磁重联精细演化(0~500 km)耗散区内oblique不稳定性证据。证明了耗散区内微观集体集合效应宏观表现的3种具体形式:湍流磁场self-generating-organization、湍动等离子体self-feeding-sustaining及磁场与等离子体间的相互作用。该研究为在超算平台上应用三维磁重联模型开展大时空尺度湍流磁重联提供了一种新途径。