MHD和等离子体湍流中过渡尺度上能量级串的解析和数值研究

The study of turbulent state of plasmas has wide applications in astro- and geophysical flows, as well as in industrial and laboratory mediums. For space plasma such as solar wind, the turbulent plasma flows can be treated with magnetohydrodynamics (MHD) at large scales. Like neutral turbulent flows, there exists an energy cascade in solar wind plasma turbulence, where energy is transferred from large scales to smaller and smaller scales, until it is dissipated at kinetic scales. The energy cascade has been widely used to explain the non-adiabatic heating of solar wind plasma. We propose to study the energy cascade at the transient scales, where dissipation can’t be ignored with a combination of analytical and numerical approaches. The analytical approach will include an extension of the classical third-order law to Hall MHD. Numerically we will employ both MHD (mainly Hall MHD) and hybrid kinetic simulations. The goal is to contribute to understanding the low-density plasma turbulence and its transition from a fluid behavior to a kinetic behavior.

对等离子湍流的研究在天体和地球物理，工业生产和实验中有着广泛的应用。空间等离子体流，例如太阳风，在大尺度上可以用磁流体（MHD）模型来描述。和中性湍流一样，太阳风湍流中也存在能量级串，能量会从大尺度传递到越来越小的小尺度，直到在动力学尺度被耗散掉。能量级串被广泛的作为一个热源来解释太阳风的非绝热加热现象。过去研究多集中在对大尺度惯性区的能量级串的研究，对惯性区和耗散区之间的过渡尺度上能量传递的研究比较缺乏。在过渡尺度上，能量传递开始受到各种耗散和动力学作用影响。本项研究使用理论分析和数值模拟的方法来研究过渡尺度上的能量级串。理论分析将会包括将经典的三阶结构函数定律拓展到考虑动力学效应的磁流体模型，比如Hall MHD。数值上将主要采用Hall MHD和混合动力学模拟。研究的目标是通过对过渡尺度上能量级串的研究来提高对等离子湍流的了解，更好的了解等离子体湍流从流体特性到动力学特性的转变。

等离子湍流在天体和地球物理，工业生产和实验中有着广泛的应用。空间等离子体流，例如太阳风，在大尺度上可以用磁流体（MHD）模型来描述。和中性湍流一样，太阳风湍流中也存在能量级串，能量会从大尺度传递到越来越小的小尺度，直到在动力学尺度被耗散掉。本项目主要是使用理论分析和数值模拟的方法来研究磁流体和等离子湍流中的能量级串、能量传输和耗散，以及与之相关的湍流结构和间歇性。我们采用了多种磁流体模型，包括各向同性不可压磁流体湍流、可压缩磁流体湍流和Hall MHD模型；对于等离子湍流，我们主要采用了更为精确的无碰撞动理学等离子湍流数值模拟，并且使用卫星观测数据分析与我们的理论和数值模拟结果进行了比较。理论研究方面，我们解析的推导了等离子湍流中的能量传输和耗散方程，将磁流体理论拓展到动理学等离子湍流。我们研究了并比较了与能量传输和耗散相关的多种物理作用，包括三阶结构函数定律、各种形式的电磁场做功、和压强张量做功（压力-应变相互作用），以及它们和湍流相干结构的关系。另外，我们也研究了与能量传输相关的带电粒子输运、粒子聚集和磁力线曲率等问题。项目执行期间，共发表期刊论文31篇，其中SCI论文30篇，大部分都发表在JFM, PRF, PoF, PoP, ApJ等有影响力的期刊上。通过项目的执行，培养了博士后2名，硕士生4名，另有两名博士生即将毕业。项目组多人次参加了APS DFD年会、AGU 年会、SHINE等国际会议，报告研究成果，并共同组织AGU秋季年会专题研讨会（分会场）。项目负责人和团队成员多次被邀请在第三届亚太等离子体会议（3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics）、2018年全国物理学会秋季年会等国内外会议做邀请报告。同时，项目组与国内外专家积极开展学术互访和合作交流。