Hall MHD湍流中能量级串的数值研究

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磁流体在宇宙空间与地球内部等自然环境中广泛存在。磁流体动力学(Magnetohydrodynamics,MHD)是描述导电流体与周围磁场相互作用下两者演化的物理模型。考虑Hall效应的MHD模型将离子惯性长度以下离子与电子的相对运动通过Hall项的形式加入到磁感应方程中,控制方程组对小尺度等离子体流动行为的描述更为准确。然而,以往的研究工作对Hall MHD湍流的研究相对比较缺乏。本文对Hall效应强度对MHD湍流中的全局统计量、间歇性以及尺度间能量传递的影响开展了数值模拟研究。在保证其他条件不变的前提下,选择五组Hall参数(ε=0.00,0.01,0.05,0.10,0.20),采用Fourier伪谱法,对有外力施加的三维不可压缩Hall MHD湍流进行直接数值模拟。本文的主要研究内容包含以下三个部分。第一部分,我们对数值模拟的结果进行了统计分析。我们发现,湍动能能谱对Hall参数改变的敏感度不高,而磁能能谱则在高Hall参数的算例中出现小尺度能量聚集现象。概率分布函数、积累分布函数与考虑尺寸效应的平坦度分析表明,Hall效应抑制了小尺度的电流场相干结构生成,进而导致电流场间歇性随Hall参数的提升而下降。同时,上述分析也表明Hall参数的提高对涡量场的间歇性没有呈现单调的影响。第二部分,我们在Fourier谱空间上对Hall MHD湍流中尺度间能量传递行为进行了分析。基于谱空间大尺度能量演化方程,发现Hall效应引起的磁能通量在不同尺度上呈现逆向传递与正向传递两种传递模式。对Hall项进行分解得到非线性项b·▽j与j·▽b,由能量通量与shell-to-shell能量传递分析可知,两种不同的物理过程在能量传递方式与尺度上均存在差异。第三部分,我们基于空间滤波的方法在物理空间对Hall MHD湍流中尺度间能量传递行为进行了分析。推导了物理空间中Hall MHD湍流中大尺度能量演化方程,通过数值模拟计算探究亚格子能量通量的统计特性。分析了Hall效应强度对不同滤波尺度亚格子能量通量的影响,发现了Hall项引起的亚格子能量通量均有强间歇性。观察发现亚格子能量通量与物理场等值面之间的关联,并通过计算互相关系数将上述关联性实现量化。
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