Введение к работе
Актуальность работы. Как известно, магнитные поля и их взаимодействие с плазменными структурами играют существенную роль в астрофизических и космических процессах. Осознание этого факта стало в свое время одним из главных стимулов развития магнитной гидродинамики как самостоятельной науки. Последующее использование МГД моделей в астрофизических исследованиях обеспечило существенный прогресс в понимании таких явлений, как возникновение и эволюция солнечных пятен, вспышек и протуберанцев, магнитосферные и ионосферные процессы, генерация галактических и планетарных магнитных полей, эпизодические выбросы (струи) из аккреционных дисков в звездных образованиях и т.д (см., например, монографию (I ]).
В то же время МГД явления, происходящие при движении метеороида (тела космического происхождения - астероида, твердого ядра кометы или его фрагмента и т.п.) в атмосфере планеты, обладающей собственным магнитным полем, практически не рассматривались. Прямые аналогии между этими явлениями и хорошо изученными МГД процессами в космической физике или в технических приложениях затруднены в связи со специфическим набором характерных параметров (скорости тела, параметров и состава среды, величины и структуры внешнего магнитного поля, пространственных и временных масштабов), определяющих интенсивность и структуру возникающих МГД эффектов.
Между тем, исследование МГД аспектов взаимодействия метеороида с оболочками планеты не только интересно с фундаментальной точки зрения, но и может иметь принципиальное значение для понимания ряда аномальных магнитосферных явлений, наблюдавшихся, в частности, при столкновении кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером [2]. Объяснение таких явлений предполагает наличие информации о характере возмущения магнитного поля планеты, которая по очевидным причинам может быть получена лишь при проведении вычислительного эксперимента с использованием МГД моделей.
Данная работа посвящена численному исследованию двумерных МГД явлений, возникающих при гиперзвуковом движении тела в магнитом поле. В качестве исходных использовались данные, имевшие место при столкновении кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером, что обеспечивает соответствие характерных параметров в вычислительном эксперименте и реальном процессе. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования Мі Д эффекта и их последствий на начальном этапе движения метеороида в атмосфере планеты.
Целью работы является:
-
Создание двумерных нестационарных МГД моделей гиперзвукового движения недеформируемого тела во внешнем магнитном поле, позволяющих проводить численное исследование возникающих МГД эффектов в широком диапазоне магнитных чисел Рейнольдса Rem и чисел магнитного давления Rh.
-
Проведение численного исследования двумерных МГД эффектов, возникающих на начальном этапе гиперзвукового движения крупного слабе проводящего тела цилиндрической формы в атмосфере и магнитном пол« планеты с использованием исходных данных, близких к имевшим место при столкновении кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером. Анализ влиянии ориентации планетного магнитного поля относительно образующей тела к напрппления его движения на возникающие МГД эффекты.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Проведен комплексный анализ двумерных МГД эффектов, возникающи) при гиперзвуковом движении крупного слабо проводящего цилиндрической: тела в однородном внешнем магнитном поле, при характерных параметра) начального этапа взаимодействия фрагмента кометы Шумейкер-Леви 9 < атмосферой Юпитера. Рассмотрено влияние ориентации магнитного полі планеты относительно образующей тела и направлення его движения № возникающие МГД эффекты.
-
Показано, что при параллельной ориентации внешнего магнитного полі относительно оси тела усиление магнитного поля главным образо»! происходит в скин-слое перед ударной волной и примерно равно отношении скоростей на ударной волне. Максимальный коэффициент усиленш магнитного поля относительно поля планеты при используемых ИСХОДНЫ) данных достигает «10.
-
Показано, что при перпендикулярной ориентации магнитного паді относительно оси тела и направления движения усиление поля происходит і ударно сжатом слое перед телом и в обширной области в следе за телом При Rh«1 максимальное усиление магнитного поля в ударно сжатом слеч пропорционально Rem,/2 и достигает при используемых исходных дайны; ~10>. При Rh^I МГД-взаимодействие приводит к подавлении присоединенных газодинамических вихрей позади тела, генераци) приосевой струи в дальнем следе за телом, возникновению пинч-эффекп перед телом и пересоединенню силовых линий магнитного поля на заднє! границе тела.
-
Показано, что при параллельной ориентации магнитного поля относительно оси тела и в случае перпендикулярной ориентации поля относительно оси тела и направления движения МГД-взаимодействие при Rh^I приводит к отрыву потока на передней стенке тела и к образованию в ударно сжатом слое двух газодинамических вихрей.
-
Показано, что при перпендикулярной ориентации магнитного поля относительно оси тела и параллельной ориентации относительно направления движения усиление магнитного поля происходит, главным образом, в скип-слое на периферии (в крыльях) отошедшей ударной волны и при используемых исходных данных не превышает 10.
Достоверность полученных результатов обеспечивается проведенным тестированием предлагаемых алгоритмов и программного обеспечения.
Практическая ценность. Разработан устойчивый алгоритм и реализованы численные коды для моделирования двумерных МГД явлений, возникающих при гиперзвуковом движении цилиндрического тела в магнитном поле.
Результаты проведенных численных исследований могут быть использованы как исходные данные для изучения аномальных магнитосферных явлений (увеличение интенсивности излучения радиационных поясов, сдвиг спектра дециметрового излучения в более коротковолновую область и т.п.), наблюдавшихся в ходе столкновения кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером.
Аппобаиня работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на XXXIX Юбилейной научной конференции Московского физико-технического института. «Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики» (Долгопрудный, 29-30 нояб. 1996г.), на научных семинарах Г.АЛюбимова (Институт механики МГУ) и ИТЭС ОИВТ РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, список которых приведен в'конце автореферата.
Структура и объем диссертации.