辐射磁流体力学数值实验研究(代前言)

辐射磁流体力学(RMHD)是磁流体力学和等离子体物理学一个新的分支,它研究与辐射有显著能量和/或动量交换的磁流体动力学行为。天体辐射磁流体力学描述天体等离子体在宏观尺度上的电磁相互作用、结构、辐射、动力学和爆发现象。"天体辐射磁流体力学"是中国科学院数理学部2015—2016年度所支持的一个学科发展战略研究项目,其目的是评估这一生长中的学科分支的发展态势、国内外研究现状、适用的主要科学对象和发展战略,重点设定在三维数值模拟研究,或广义而言,数值实验研究。为了推动RMHD三维数值实验研究,这一专卷收入了天体物理学、太阳和空间物理学、受控等离子体实验等领域关于RMHD研究的部分调研和评述报告。

二维弹塑性磁流体力学数值模拟

为了研究物质弹塑性对磁驱动实验运动过程、不稳定性发展等的影响,在MDSC2程序的基础上,增加了弹塑性模块,研制了包括弹塑性的磁流体力学程序,并进行了弹塑性项影响的数值模拟和分析。数值模拟表明:没有初始扰动时,弹塑性项几乎不影响套筒内外半径的运动轨迹;有初始扰动时,弹塑性项对磁驱动固体套筒的Rayleigh-Tayor不稳定性有明显的抑制作用。

多介质辐射流体力学数值模拟中的并行计算研究

多介质辐射流体力学是传统的计算挑战性应用问题,对大规模并行计算机有强烈需求．近年来,在万亿次并行机的512个处理器上,对该类应用中的多介质Euler流体力学方程、辐射扩散方程、粒子输运方程、以及这些方程之间的耦合连接,开展了有效的并行数值模拟．作为连接数值模拟和并行计算机的桥梁,并行计算也得到了快速发展．文中综述了并行计算,尤其是并行算法和并行实现关键技术方面的重要进展．通过这些算法和技术,可以看出作者是如何组织和完成这些万亿次并行数值模拟应用的．

用于电磁驱动真空-等离子体系统数值模拟的弛豫磁流体力学模型

提出了一个弛豫磁流体力学模型,特别适合电磁驱动真空-等离子体系统的数值模拟。该模型和Seyler采用的弛豫模型有相似之处,即采用全电磁模型,不同的是采用忽略电子惯性项的广义欧姆定律直接作为本构来封闭麦克斯韦方程,减少了独立变量,是适合此类问题的最简模型。分析了磁流体力学模型电磁部分的色散关系,从而论证了其在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的。改进了Seyler采用的时间离散方式,从而将时间精度从1阶提高到3阶,时间步长不受刚性源项约束,只受系统最大的特征速度确定的柯朗-弗里德里奇-列维(CFL)条件约束,便于显式计算和大规模并行化。

液态金属自由表面射流磁流体力学效应的数值模拟

分析了磁流体力学效应对液态金属自由表面射流稳定性的影响。从射流的感应电势、电流、速度等方面,解释射流在磁场中稳定的原因。数值计算结果验证了理论分析。

太阳风一磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层,太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节,是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题.地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难.数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响.国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末,最初的研究局限于二维空间由于磁层内在的三维特性,20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起.本文简要说明了三维全球磁层MHD(磁流体力学)研究的特点及现状,给出了三维全球磁层模型的基本框架,综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风-磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.

电渣重熔过程渣池磁流体力学行为数值模拟

建立了耦合电渣重熔过程渣池内电磁场、温度场和流场的数学模型,在考虑渣池内电磁力和热浮力对熔渣流动影响的基础上,分析了电渣重熔工艺(电极形貌、插入深度和电流强度)对渣池磁流体力学行为的影响规律.结果表明:当电磁力为主时,渣池内存在逆时针涡流;当热浮力为主时,渣池内存在顺时针涡流.电渣重熔电流5 kA,频率50 Hz,电极端部为平面时,渣池内同时存在逆时针和顺时针涡流,最大流速为0.05 m/s;当电极端部为锥形时,渣池内部只存在顺时针涡流,最大流速为0.20 m/s..增加电极插入深度和增大电流强度都会增强渣池内逆时针涡流;相反,则增强渣池内顺时针涡流.

FOI-PERFECT程序对电磁驱动高能量密度系统的三维弛豫磁流体力学模拟

提出一个完整的弛豫磁流体力学模型用于电磁驱动高能量密度系统的数值模拟,它由弛豫电磁波动、弛豫热输运、P1/3近似辐射输运以及流体力学构成。电磁部分在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的。这意味着弛豫磁流体力学能退化到传统的电阻性磁流体力学,并且能用显式方法数值求解,便于大规模高效并行化。基于此弛豫磁流体力学模型开发了三维辐射磁流体力学程序FOI-PERFECT,指出了所采用的关键数值技术,并给出了一些应用例子。

单丝Z箍缩的一维单温辐射磁流体力学计算

介绍在正弦电流波形下铝丝的内爆动力学过程的数值模拟计算 ,计算采用一维单温辐射磁流体力学模型 ,能流中除了常规热传导外 ,也包括黑体辐射流项 ,以考虑辐射对内爆动力学过程的影响。计算了用于箍缩预脉冲的低电流 (幅值 1 0～ 5 0kA)和较高电流 (幅值 40 0kA)情况下单丝的内爆结果。

外日球层激波事件的一维磁流体力学数值模拟

“旅行者1号”在2012年8月穿越日球层顶后连续探测到了星际磁场的局地突然变化,通常被认为对应于激波事件,且为太阳风事件向外传播后形成的大尺度结构与日球层顶相互作用的产物。但由于观测的限制,日球层内的太阳风大尺度结构与星际空间的激波事件的对应关系尚未明确。通过一个包含太阳风等离子体和星际中性原子的双流体磁流体力学数值模型检验了这种对应关系。在距日1 AU的内边界输入2010—2017年分别位于不同经度上的OMNI,STEREO A和STEREO B的太阳风观测数据,研究了这期间太阳风与星际中性原子电荷交换后在外日球层区的传播和演化,并与“旅行者1号”和“旅行者2号”的观测数据做对比。结果表明,“旅行者1号”探测的星际空间激波事件与“旅行者2号”探测到的日球层鞘区内的压力脉冲事件具有明显的关联。

单流体二维太阳风结构的磁流体力学模拟

在添加动量项的情况下,对单流体二维磁流体力学方程组进行模拟,得到了子午面上的太阳风结构.结果表明,添加动量项的形式及其被加入的位置对远区太阳风速度和质子密度有苇要的影响,本文在适当的区域加入合适的动量项得出了远区太阳风速和质子密度与Ulysses观测基本符合的结果.文中给出较合适的动量添加区域为3.5-10Rs(Rs为太阳半径).

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.

磁驱动样品实验数值模拟研究

采用二维磁驱动数值模拟程序对磁驱动样品实验进行了模拟研究。数值模拟结果表明,二维磁驱动数值模拟程序模拟的样品/窗口界面速度(或飞片/窗口界面速度)与实验测量速度基本一致。磁驱动样品实验的结构系数与样品材料、阴阳极之间的初始间隙、电极板宽度等负载初始结构相关,不随磁驱动样品实验的演化过程而改变。样品材料不同,结构系数不同。对于同一样品材料,在其他初始条件相同的情况下,电极板越宽,结构系数越大。二维磁驱动数值模拟程序能够正确模拟磁驱动样品实验,是磁驱动样品物性研究的重要工具。

基于磁流体稳定性提升的电解槽母线改造研究

磁场是电解槽磁流体稳定性的决定性因素,本文对铝电解槽的磁流体稳定性进行研究,通过采用自均衡网络化母线技术降低电解槽垂直磁场,改造后的垂直磁场平均降低47.5%,且四个象限磁场强度分布均匀。通过瞬态磁流体模型及流动场稳定性分析验证,500s左右后电解槽可自行恢复稳定状态,界面变形减小1.2cm,证明采用自均衡网络化母线技术后的电解槽自平衡能力及抗波动能力均得到增强,从而节省直流电耗150kWh/t-Al。

数值模拟技术在磁选领域的应用研究进展

磁选是利用各种矿物的磁性差异,在不均匀磁场中实现矿石分选的一种选矿方法,是选别磁性矿物的重要分选手段。磁选过程复杂,涉及磁场、流场以及颗粒运动等多个物理场作用,传统上采用理论分析计算和搭建磁选设备实验室样机试验的方法对磁选过程进行研究,实际仅能得到分选试验结果数据,无法掌握磁选过程的实时状况。数值模拟技术的引入可以将磁选过程可视化,能够清晰地了解磁选过程中矿粒的运动规律并分析各参数对分选效果的影响,从而大幅缩短了磁选设备的改进和研发周期。数值模拟技术主要通过对磁选过程涉及的物理场构建计算模型来实现对磁选过程的模拟。目前,数值模拟技术已经成为磁选研究的重要手段。介绍了数值模拟技术在磁选领域中应用的主要方法和模型,包括针对模拟磁场分布使用的有限元法、模拟流场分布使用的计算流体力学和模拟颗粒运动动态应用的离散元法以及主要的数学方法和物理模型。分类综述了近年来数值模拟技术在弱磁选、强磁选和高梯度磁选等磁选设备研究中的具体内容,阐述了基于数值模拟的磁选理论研究进展,指出了数值模拟在磁选领域研究中的发展方向。

炸药爆炸过程中电磁辐射数值模拟研究

为了给出炸药爆炸过程中产生电磁辐射的理论分析方法和特性,针对炸药爆炸过程中产生的电磁辐射进行数值模拟研究。采用热平衡电离模型描述爆炸过程中的电离气体,结合爆炸问题的数值模拟方法,得到爆炸场中的电导率分布,进而得到磁扩散率。基于非理想磁流体动力学方程组,计算在特定磁扩散率下的导电气体运动引起的电磁辐射,实现对炸药爆炸产生电磁辐射的数值模拟,数值模拟结果和有关文献符合程度良好。对比不同当量炸药爆炸引起的电磁辐射结果可以得出:炸药爆炸产生的电场信号出现在磁场信号之前;电磁辐射峰值到达的时间随炸药当量增大而增大;磁场信号幅值与当量的2/3次方成正比,电场信号幅值与当量的1/3次方成正比。

回流罩结构Z-箍缩实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序(MDSC2)对大电流脉冲功率装置FP-2上的回流罩结构Z-箍缩实验exp90和exp60进行了数值模拟。数值模拟表明,回流罩结构Z-箍缩实验测量电流/回路电流不是负载套筒电流,回流罩结构Z-箍缩实验中回路电流不完全从负载套筒通过,回路电流和负载套筒电流之间存在一个结构系数,提出了边界磁场强度与回路电流关系的新公式。采用具有结构系数的边界磁场强度公式和磁流体力学程序能正确模拟exp90和exp60两个回流罩结构Z-箍缩实验,模拟的套筒内径运动速度和实验测量速度相一致。回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数为一常数,仅由回流罩的初始结构确定。90 mm和60 mm内直径套筒的结构系数分别为0.87和0.90。在套筒初始厚度、绝缘材料等其它条件相同的情况下,套筒内径越大,回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数越小。

梯度磁场下气固流化床中磁颗粒运动数值模拟

在外加竖直方向梯度磁场的气固鼓泡流化床中,考虑铁磁颗粒受到的梯度磁场力和颗粒间磁感应力,对气相采用流体力学方法(CFD),颗粒相采用离散元法(DEM),建立二维磁鼓泡流化床数学模型,模拟不同磁场强度下全磁颗粒圆形床料的气固流动过程,分析了不同磁场强度对磁流化床中气泡生长、颗粒运动、床层压降和磁颗粒受力的影响。研究结果表明在沿高度磁感应强度递减的梯度磁场中,磁颗粒在颗粒间磁感应力的作用下凝聚成链,破坏了大气泡的形成。随着磁场强度增加,颗粒扩散系数减小,颗粒间磁感应力和梯度磁场力增大;气体与颗粒相间作用力先减小、后增加;而颗粒接触力先增加、后减小。

太阳大气中自发磁重联的数值模拟(Ⅱ)重力、热传导下二维三分量的计算结果

在无力场中引入反常电阻，数值模拟电阻撕裂模不稳定性引起的均匀重力场中的二维三分量磁重联过程．首先研究了Vc（反常电阻模型中的临界漂移速度）和β0（气压磁压比）对磁重联的影响，结果表明：（1）在Vc大的情况下，重联率开始很小，但最终出现爆发现象．另外，温度的增加不如Vc小的情况明显。（2）Vc相同而β0不同的情况具有相似的演化特征，但β0越小，动力学过程越剧烈。（3）Vc大巨β0也大的情况不能产生爆发现象．还研究了各向同性热传导对磁重联过程及扩散区结构的影响．结果表明热传导加快磁重联速率．在无热传导的情况中，开始时温度增加迅速，重联率较低，但最终出现磁重联率迅速上升的现象．对上述结果及其在解释耀斑、日冕物质抛射及冕流等太阳大气现象方面进行了讨论．

太阳电池生产用管式扩散炉的数值模拟——辐射模型的选择

以生产用晶硅电池管式扩散炉为研究对象,对其进行数学建模;使用四种常用辐射模型进行计算,并对计算结果进行比较;根据温度分布直方图的结果,认为DO辐射模型比其它辐射模型更适合于计算生产用晶硅管式扩散炉的内部热场。