磁场对激光驱动的喷流演化影响的二维数值研究

喷流的触发机制、准直传输和稳定性一直是天体物理学的研究热点.近年通过观测和实验室研究发现磁场在喷流准直传输和加速中起着关键作用.本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对强激光驱动聚苯乙烯(CH)平面靶产生的靶前喷流进行了二维的数值模拟,系统地考察和比较了Biermann自生磁场以及不同方向、不同初始强度的外加磁场对喷流演化的动力学.模拟结果表明Biermann自生磁场不会影响喷流的界面动力学,而外加磁场对等离子体出流具有重定向作用,平行于靶前等离子体出流中心流向的外加磁场有助于喷流的产生和准直传输.其形成和演化过程是等离子体热压、磁压以及冲压三者相互竞争的结果.在受力方面,在喷流演化过程中等离子体热压梯度力和磁压力起决定性作用.研究结果为后续开展和喷流相关的实验研究提供借鉴,也有助于加深对天体喷流演化的理解.     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

磁流体管流的直接数值模拟研究

在开源的CFD 工具包OpenFOAM 环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器,对 2π ×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究,给出了截面瞬时速度、平均速度的分布,截面对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且这种抑制作用具有各向异性。     

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在开源的CFD工具包OpenFOAM环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器,对2π×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究,给出了截面瞬时速度、平均速度的分布,截面对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且这种抑制作用具有各向异性。     

激光等离子体强磁环境研究进展

高功率强激光技术的发展使得在实验室模拟复杂天体等离子体环境成为可能。近年来在激光等离子体强磁环境下模拟天体物理现象是实验室天体物理研究的一个热点方向,文章简单介绍了利用强激光产生强磁场的各种机制,包括毕尔曼电池效应、线圈靶诱发磁场等,并介绍了在实验室诊断此类磁场的一些常用方法,如法拉第旋转法、质子背光法、B-dot法等。最后介绍该方向几个研究的最新进展,包括磁场压缩、喷流等,同时提出一些在实验室产生强磁场的新思路。     

亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差估算

分析了亥姆霍兹线圈中心区域轴向磁场的分布,给出估计线圈磁场均匀区的计算方法,得到均匀区分布曲线图.     

铁芯变压器对极向场的影响

本文叙述了对HL-1装置铁芯变压器作无限长均匀磁化假定后,给出了极向场线圈(包括等离子体电流环)在空气区产生的磁场解析表达式,及数值计算,并在一比四模拟变压器上做了实验,计算结果与实验结果符合。     

质子成像法测量电容线圈靶磁场

质子背光成像技术是一种诊断等离子体电磁场的重要诊断手段.当质子穿过等离子体的电磁场,质子受洛伦兹力影响在成像板上重新分布.如何从质子成像结果中重构电磁场是一个非常重要的研究课题.本文以激光驱动电容线圈靶为例介绍和对比了粒子追踪法和流量分析法这两种通过质子成像结果重构磁场的方法.激光驱动电容线圈靶通过激光打靶在电容靶两侧产生电势,然后很强的电流流过线圈,最后产生高达千特斯拉的感应磁场,在激光等离子体实验中这是一种重要的产生磁场的手段.本工作中先使用粒子追踪法在不同强度的理论磁场环境下得到质子成像结果,然后使用流量分析法从这些理论质子成像结果重构磁场,最后对比理论磁场和重构磁场以获得两种方法的优缺点.粒子追踪法可以重现实验中质子源、等离子体磁场和成像板的布局结构,但是依赖于精确的理论磁场的计算和庞大的计算量来模拟质子的轨迹,并需要不断修正理论磁场来获得最接近实验结果的模拟结果.流量分析法可以直接从实验的质子成像结果重构磁场结构.但是,流量分析法只适用于磁场较小的情况,当磁场较大时其重构的磁感应强度会误差较大.可以使用一个无量纲参量μ来衡量质子穿过作用区域单位长度后在成像板上的偏折距离,流量分析法适用于μ?1的情况.并且靶的结构在质子成像上形成的阴影区域也会造成磁场重构时磁场结构的失真.     

亥姆霍兹线圈磁场的均匀性分析及误差错估算

分析了亥姆霍兹线圈中心区域轴向磁场的分布,给出估计线圈磁场均匀区的计算方法,得到均匀区分布曲线图。     

用于激光等离子体中脉冲强磁场产生的电感耦合线圈

脉冲强磁场装置是磁化激光等离子体实验的核心设备.本文研制了一种用于优化脉冲强磁场设备的电感耦合线圈,相对于单匝磁场线圈可以进一步提高磁场强度.通过实验和模拟研究了电感耦合线圈的初级螺线管匝数和直径对磁场强度的影响,发现对于2.4μF电容的放电系统,电感耦合线圈的初级螺线管在35匝、35 mm直径时,可以在5 mm内径的次级磁场线圈中获得最高的峰值磁场强度,是相同尺寸单匝磁场线圈产生磁场强度的3.6倍.在充电电压20 kV时,峰值磁场强度达到19 T,使用铍铜材料的电感耦合线圈克服强磁场中线圈炸裂问题,在35 kV的充电电压下得到了33 T的峰值磁场强度.这种新方法产生了更强的磁场、降低了对回路电感的要求、提升了实验排布的灵活性,为研究强磁场下的激光等离子体行为创造了条件.     

实验室天体物理研究进展

近年来,随着高功率激光实验装置的广泛应用,成像技术和模拟分析技术水平的进一步提高,实验室天体物理研究取得了一些新的重要进展,如激光等离子体实验中对流等离子体磁场结构,冲击波中磁场的湍流放大效应,实验室模拟原恒星喷流中磁场的准直效应和太阳风与偶极磁场之间相互作用等方面的研究。这些研究加深了人们对原恒星以及Herbig—Haro天体喷流、超新星遗迹冲击波、地球磁层中磁场活动等天体物理现象的理解。文章对上述几个方向进行了介绍,并对未来研究方向做一些展望。     

平行壁变形导电管磁流体层流数值模拟

采用自主开发的基于 OpenFOAM 环境下的磁流体求解器,对外加横向均匀磁场的导电方管、平行 壁内凹导电管以及平行壁外凸导电管内的磁流体进行了层流数值模拟。在壁面电导率为 0.01、流体雷诺数为 500、 哈特曼数为 500~2000 的条件下,研究了三种导电管中液态金属磁流体速度分布和压降。结果表明：平行壁内凹 和外凸对速度分布具有显著影响;在相同参数条件下,平行壁内凹管的压降大于方管,而平行壁外凸管的压降小 于方管。     

CFETR CSMC装配误差下的电磁状态研究

中心螺旋管模型线圈是为了积累中心螺线管线圈设计和制造经验而预研的一套混合超导磁体线圈,该线圈由五大模块组成,高场区采用Nb_3Sn线圈,低场区采用NbTi线圈,可以满足紧凑型聚变装置对低纵横比的要求.然而模型线圈各模块结构复杂、尺寸庞大在装配过程中不可避免的存在装配误差,线圈励磁以后产生的非对称磁场和电磁力将分别影响等离子体的旋转和线圈整体的稳定性.为了详细分析装配误差对线圈磁场和电磁力的影响,选取模型线圈在装配过程中可能出现的典型的装配误差,基于电流丝等效模型计算了NbTi线圈偏置以后Nb_3Sn内外线圈上的磁场和电磁力.计算结果表明,由于装配误差,线圈磁场沿环向呈不均匀分布,轴向电磁力合力不为零;轴向和径向装配误差对线圈磁场和电磁力的影响存在明显的差异;电磁力随着装配误差呈线性增长,当线圈装配误差较大时将引发数倍于线圈自重的电磁力;该研究结果可为偏置状态下模型线圈的耦合场分析和线圈模块的装配方案设计优化提供参考.     

纳秒激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中膨胀时的温度和密度参数演化

利用等离子体光学波段自发光成像、光学光谱和光学探针干涉等诊断手段, 观察了纳秒脉冲激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中的膨胀过程. 根据实验参数特征建立了简化的磁流体物理模型, 结合自发光强度的时间演化, 理论计算了等离子体温度和密度参数的时间演化, 理论计算结果与实验测量结果基本符合, 证实了碰撞磁扩散过程在等离子体演化中发挥了关键作用.     

均匀磁场作用下磁流体座滴变形研究

本文研究了具有超疏水润湿特性的磁流体座滴在均匀磁场作用下变形的数值模拟方法,采用实验结果对该方法进行了有效的验证。研究中观察的是水基磁流体座滴被磁场拉伸,座滴周围充满与其不互溶的矿物油,均匀磁场方向平行于基板表面。本文发展了问题的数学描述,建立了多物理场模型,采用有限体积法对控制方程进行求解,level-set方法对两种不相溶的液体之间的界面进行定义和追踪,得到了不同磁场特性下座滴所具有的形态。     

强激光产生的强磁场及其对弓激波的影响

强激光照射金属线圈后,会在打靶点附近的背景等离子体中诱发冷电子的回流,在金属丝内形成强电流源,从而产生强磁场.本文利用神光II高功率激光器产生的强激光照射金属丝靶,产生了围绕金属丝的环形强磁场.利用B-dot对局域磁感应强度进行了测量,根据测量结果,结合三维模拟程序,反演得到磁场的空间分布.再利用强激光与CH平面靶相互作用产生的超音速等离子体撞击该金属丝,产生了弓激波.通过光学成像手段研究了磁场对冲击波的影响,发现磁场使得弓激波的轮廓变得不明显并且张角变大.同时,通过实验室天体物理定标率,将金属丝表面等离子参数变换到相应的天体参数中,结果证明利用该实验方法可以在实验室中产生类似太阳风的磁化等离子体.     

超短超强激光-等离子体中自生磁场的研究

本文回顾了激光-等离子体相互作用中自生磁场的产生以及提出的各种产生机制和诊断方法;比较全面地介绍了超短超强激光与等离子体相互作用中产生自生磁场的理论、数字模拟以及实验研究的状况;重点阐述了超短超强激光-等离子体相互作用中自生磁场对谐波发射影响的理论以及根据该理论完成的实验测定.     

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.     

超高速碰撞产生磁场的1维模型

 为研究超高速弹丸碰撞靶板产生等离子体诱生的磁场,引用已有关于激光产生等离子体的磁场理论,结合麦克斯韦方程和法拉第电磁感应定律得到了超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的1维理论模型。基于已有关于超高速正碰撞产生半球状等离子体云诱生磁场的偏微分方程,建立了柱坐标系下超高速斜碰撞产生部分椭球状等离子体云的偏微分方程。通过感应线圈进行了磁感应强度的实验测量,实验结果与模型预言表明,该模型可近似地描述超高速斜碰撞产生等离子体诱生的磁感应强度。