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

1、隨著等離子體實驗診斷和空間衛(wèi)星觀測技術的發(fā)展、特別是國家重大科技基礎設施《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）的建設和“磁層多尺度過程”（MMS）國際衛(wèi)星探測計劃的啟動，對電子慣性尺度內電子動力學行為的研究吸引了物理學家和空間科學家們的廣泛關注。然而作為研究等離子體的重要手段之一，針對電子動力學行為研究的數(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，沒有研究動理學效應的模擬程序。

2、因此，發(fā)展針對于電子動力學行為研究的粒子模擬模型并開發(fā)相應的程序編碼迫在眉捷。為了更好的研究時空尺度在電子慣性尺度的小空間范圍和快時間尺度的物理過程，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，而對離子采用流體描述，可以在考慮離子的大尺度流體運動的同時有效的對電子動力學行為進行深入的動理學模擬研究。
　　本文

3、詳細介紹了EPIC模型的物理基礎，從EPIC模型基本假設出發(fā)、建立了EPIC模型方程組；在快尺度近似下對EPIC模型方程進行簡化處理，得到程序編寫所使用的模型方程。然后，我們在EPIC模型的理論框架下進一步構建了EPIC數(shù)值模擬方法的基本流程，并在流程圖的指導下分別構建了坐標系、YEE網格，權重處理的程序實現(xiàn)方法。同時根據(jù)EPIC模型自身特點設計了二維YEE網格圖，對電磁場方程進行了離散化處理。而后給出了電磁場由半網格量轉化成整點網格量

4、的方法，最后討論了程序的計算穩(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，我們對空間等離子體磁重聯(lián)過程進行模擬，完成了程序的驗證，并進一步取得了初步研究成果。在介紹了磁重聯(lián)相關的基本理論以及常見的磁重聯(lián)模型的基礎上，分析了磁重聯(lián)過程中Hall四極場的形成。隨后利用EPIC數(shù)值模擬程序對地球磁尾的磁重聯(lián)現(xiàn)象進行了模擬，得到了已知的磁重聯(lián)現(xiàn)象的基本物理特征，驗證了程序的正確