EPIC理論模型和程序研發(fā)及其在磁重聯(lián)研究中的應(yīng)用.pdf

1、隨著等離子體實(shí)驗(yàn)診斷和空間衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展、特別是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施《空間環(huán)境地面模擬裝置》空間等離子體環(huán)境模擬與研究系統(tǒng)（SPERF）的建設(shè)和“磁層多尺度過程”（MMS）國際衛(wèi)星探測(cè)計(jì)劃的啟動(dòng)，對(duì)電子慣性尺度內(nèi)電子動(dòng)力學(xué)行為的研究吸引了物理學(xué)家和空間科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。然而作為研究等離子體的重要手段之一，針對(duì)電子動(dòng)力學(xué)行為研究的數(shù)值模擬方法的發(fā)展還不完善：只有流體近似的電子磁流體（EMHD）模型程序，沒有研究動(dòng)理學(xué)效應(yīng)的模擬程序。

2、因此，發(fā)展針對(duì)于電子動(dòng)力學(xué)行為研究的粒子模擬模型并開發(fā)相應(yīng)的程序編碼迫在眉捷。為了更好的研究時(shí)空尺度在電子慣性尺度的小空間范圍和快時(shí)間尺度的物理過程，我們提出發(fā)展EPIC（Electron Particle-in-Cell）模型。EPIC模型是將電子視為粒子，利用在PIC（Particle-in-Cell）程序處理，而對(duì)離子采用流體描述，可以在考慮離子的大尺度流體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)有效的對(duì)電子動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行深入的動(dòng)理學(xué)模擬研究。
　　本文

3、詳細(xì)介紹了EPIC模型的物理基礎(chǔ)，從EPIC模型基本假設(shè)出發(fā)、建立了EPIC模型方程組；在快尺度近似下對(duì)EPIC模型方程進(jìn)行簡化處理，得到程序編寫所使用的模型方程。然后，我們?cè)贓PIC模型的理論框架下進(jìn)一步構(gòu)建了EPIC數(shù)值模擬方法的基本流程，并在流程圖的指導(dǎo)下分別構(gòu)建了坐標(biāo)系、YEE網(wǎng)格，權(quán)重處理的程序?qū)崿F(xiàn)方法。同時(shí)根據(jù)EPIC模型自身特點(diǎn)設(shè)計(jì)了二維YEE網(wǎng)格圖，對(duì)電磁場方程進(jìn)行了離散化處理。而后給出了電磁場由半網(wǎng)格量轉(zhuǎn)化成整點(diǎn)網(wǎng)格量

4、的方法，最后討論了程序的計(jì)算穩(wěn)定性條件和電子在邊界上的處理方法。最終完成EPIC模型的數(shù)值程序代碼的編寫。
　　利用編寫的EPIC程序，我們對(duì)空間等離子體磁重聯(lián)過程進(jìn)行模擬，完成了程序的驗(yàn)證，并進(jìn)一步取得了初步研究成果。在介紹了磁重聯(lián)相關(guān)的基本理論以及常見的磁重聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，分析了磁重聯(lián)過程中Hall四極場的形成。隨后利用EPIC數(shù)值模擬程序?qū)Φ厍虼盼驳拇胖芈?lián)現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，得到了已知的磁重聯(lián)現(xiàn)象的基本物理特征，驗(yàn)證了程序的正確