Разработка трехмерной гибридной модели бесстолкновительного расширения плазменного облака в разреженную ионизованную замагниченную окружающую среду

Представлены результаты разработки трехмерной гибридной модели бесстолкновительного взаимодействия плазменных потоков. В рамках указанной модели ионы рассмотрены кинетическим образом (моделируются в виде набора отдельных частиц), электроны описаны в рамках подхода механики сплошной среды (моделируются жидкостью). Приведена система уравнений математической модели, а также физические условия ее применимости. Система уравнений включает в себя уравнения движения ионов в электромагнитных полях, уравнение квазинейтральности, уравнения для расчета полной плотности тока, уравнения Максвелла в безызлучательном приближении, обобщенный закон Ома. Изложен численный метод решения уравнений гибридной модели. Описан алгоритм решения системы уравнений по времени. Особое внимание уделено численному методу решения уравнения индукции, учитывающему возможность возникновения разрывных решений, а также сохраняющему условие бездивергентности магнитного поля. Обсуждаются вопросы, связанные с повышением порядка точности аппроксимации по пространству численной схемы решения уравнения индукции. Представлены результаты численного моделирования бесстолкновительного расширения плазменного облака в разреженный ионизованный газ в присутствии внешнего магнитного поля, полученные с использованием созданного компьютерного кода, реализующего описанную гибридную модель. Продемонстрированы некоторые численные свойства созданной компьютерной модели, в частности влияние порядка точности аппроксимации численной схемы решения уравнения индукции на результаты численного моделирования

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант РНФ № 16-11-10275-П)

Литература

[1] Lipatov A.S. The hybrid multiscale simulation technology. Scientific Computation. Berlin, Heidelberg, Springer, 2002. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-05012-5

[2] Захаров Ю.П., Пономаренко А.Г., Тищенко В.Н. и др. Генерация сгустков лазерной плазмы с высокой эффективностью концентрации энергии для лабораторного моделирования бесстолкновительных ударных волн в замагниченной космической плазме. Квантовая электроника, 2016, т. 46, № 5, с. 399--405.

[3] Шайхисламов И.Ф., Захаров Ю.П., Посух В.Г. и др. Экспериментальное исследование бесстолкновительного сверхальфеновского взаимодействия взаимопроникающих плазменных потоков. Физика плазмы, 2015, т. 41, № 5, c. 434--442. DOI: https://doi.org/10.7868/S0367292115050054

[4] Modolo R., Chanteur G.M., Wahlund J.-E., et al. Plasma environment in the wake of Titan from hybrid simulation: a case study. Geophys. Res. Lett., 2007, vol. 34, iss. 24, art. L24S07. DOI: https://doi.org/10.1029/2007GL030489

[5] Modolo R., Chanteur G.M. A global hybrid model for Titan’s interaction with the Kronian plasma: application to the Cassini Ta flyby. J. Geophys. Res., 2008, vol. 113, iss. A1, art. A01317. DOI: https://doi.org/10.1029/2007JA012453

[6] Jarvinen R. On ion escape from Venus. Helsinki, Finnish Meteorological Institute, 2011.

[7] Sillanpaa I., Kallio E., Jarvinen R., et al. Oxygen ions at Titan’s exobase in a Voyager 1-type interaction from a hybrid simulation. J. Geophys. Res., 2007, vol. 112, iss. A12, art. A12205. DOI: https://doi.org/10.1029/2007JA012348

[8] Kallio E., Chaufray J.-Y., Modolo R., et al. Modeling of Venus, Mars, and Titan. Space Sci. Rev., 2011, vol. 162, pp. 267--307. DOI: https://doi.org/10.1007/s11214-011-9814-8

[9] Ermishkin M.V., Surzhikov S.T. A three-dimensional numerical study of MHD interaction between supernova remnants and interstellar wind. Proc. 52nd Aerospace Sciences Meeting, 2014, AIAA 2014-0829. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2014-0829

[10] Ermishkin M.V., Surzhikov S.T. A three-dimensional numerical study of supernova remnant type-IA evolution in an inhomogeneous interstellar medium. Proc. 45th AIAA Plasmadynamics and Laser Conf., 2014, AIAA 2014-2238. DOI: https://doi.org/10.2514/6.2014-2238

[11] Dyal P. Particle and field measurements of the Starfish diamagnetic cavity. J. Geophys. Res., 2006, vol. 111, iss. A12, art. A12211. DOI: https://doi.org/10.1029/2006JA011827

[12] Raizer Yu.P., Surhzikov S.T. Magnetohydrodynamic description of collisionless plasma expansion in upper atmosphere. AIAA J., 1995, vol. 33, no. 3, pp. 486--490. DOI: https://doi.org/10.2514/3.12602

[13] Гуськов К.Г., Райзер Ю.П., Суржиков С.Т. Трехмерная вычислительная МГД-модель разлета плазмы в неоднородной ионизированной среде с магнитным полем. Математическое моделирование, 1992, т. 4, № 7, с. 49--66.

[14] Рахманов А.В., Суржиков С.Т. Расширение плазменного облака сложной формы в разреженной плазме с магнитным полем. Математическое моделирование, 1992, т. 4, № 7, с. 67--78.

[15] Суржиков С.Т. Бесстолкновительный разлет двухзарядного плазменного облака в разреженной замагниченной плазме. Физика плазмы, 2000, т. 26, № 9, с. 811--823.

[16] Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М., Мир, 1987.

[17] Бэдсел Ч., Ленгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. М., Энергоатомиздат, 1989.

[18] Nagy A.F., Balogh A., Cravens T.E. (eds.), et al. Comparative aeronomy. Space Sciences Series of ISSI, vol. 29. New York, Springer, 2008. DOI: https://doi.org/10.1007/978-0-387-87825-6

[19] Winske D., Yin L., Omidi N., et al. Hybrid simulation codes: past, present, future: a tutorial. In: Space Plasma Simulation. Springer, 2003, pp. 136--165.

[20] Дудникова Г.И., Романов Д.В., Федорук М.П. Об алгоритмах метода частиц на неструктурированных сетках. Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 2000, т. 40, № 1, с. 153--165.

[21] Zenitani S., Umeda T. On the Boris solver in particle-in-cell simulation. Phys. Plasmas, 2018, vol. 25, iss. 11, art. 112110. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5051077

[22] Evans C.R., Hawley J.F. Simulation of magnetohydrodynamic flows: a constrained transport method. Astrophys. J., 1988, vol. 332, pp. 659--677. DOI: https://doi.org/10.1086/166684

[23] Balsara D.S. Second-order-accurate schemes for magnetohydrodynamics with divergence-free reconstruction. ApJS, 2004, vol. 151, no. 1, pp. 149--184. DOI: https://doi.org/10.1086/381377

[24] Jones C.B., Doyle M.K., Berkhouse L.H., et al. Operation Argus. Washington, DNA, 1958.