相互穿透等离子体中波动与磁流体动力学不稳定性的离散玻尔兹曼方法研究

In this project, based on nonequilibrium statistical mechanics and magnetohydrodynamics(MHD), we decide to investigate two plasmas with different properties that can interact with each other. We aim to develop a Discrete Boltzmann Method/Model (DBM) which can be used to study both flow and thermal nonequilibrium behaviors. The main contents include: 1. Physical model construction. For MHD systems, we will give a suitable DBM kinetic model and make a stability analysis on it. 2. Effects of magnetic field. For MHD instabilities in different magnetic fields, the evolution properties, mechanism and rules in them are our main concern. Investigations on the nonequilibrium behaviors are our focus and the highlight of our project. This project will promote the micro/meso kinetic model construction of MHD instabilities. It will give a deep understanding on the relationship between flow and thermodynamic nonequilibrium effects. It will also offer a method on how to enhance or suppress the MHD instabilities.

本项目针对两团不同性质等离子体存在相互接触和穿透的情形，基于非平衡统计力学和磁流体动力学，发展一套可以同时研究其中流动非平衡和热动非平衡行为的离散玻尔兹曼模型或方法(DBM)，进一步研究等离子体性质对流体不稳定性的影响。主要内容包括：1.物理模型构建。针对穿透等离子体系统，构建合理自洽的DBM动理学模型，并对模型进行稳定性理论分析；2. 磁场效应研究。结合实际物理问题，研究磁场环境下各类磁流体不稳定性的演化特征、机制和规律。其中不稳定性发展过程中的非平衡效应研究是本项目的特色与研究重点。该项目的完成将推动磁流体不稳定性系统的微介观动理学建模，深刻理解热动非平衡与流动非平衡行为之间的关联与相互影响，为加强和抑制磁流体不稳定性提供物理方案。

近年来，一种用于非平衡复杂流体系统建模的离散玻尔兹曼方法/模型（Discrete Boltzmann Method/Model, DBM）逐渐发展起来，成为对复杂流体系统非平衡行为建模，模拟和分析的有效手段。DBM等效于一个宏观连续模型，外加一个描述热动非平衡行为的粗粒化模型。本项目针对两团不同性质等离子体存在相互接触和穿透的情形，聚焦等离子体激波和流体不稳定性问题，主要完成了如下工作：1.构建了适用于研究穿透等离子体激波的离散玻尔兹曼模型，得到了等离子体激波不同于普通流体激波和爆轰波的尖峰状电荷分离双层结构，提取了与界面、空间非均匀性相关的非平衡特征和规律；2.应用DBM，研究了开尔文-亥姆霍兹不稳定性问题，得到了粘性、热传导和混合效应对非平衡不稳定性的影响，提取了界面的非平衡特征；3.对多组分复杂穿透等离子体离子声波的理论分析，得到了离子声波和孤立波的传播特征。该研究为进一步研究复杂等离子体波动和不稳定性提供了理论基础。