基于流体-磁流体-粒子混合方法的高空核爆炸碎片云模拟

彭国良 张俊杰

1)(北京理工大学机电学院,北京 100081)

2)(西北核技术研究所,西安 710024)

提出了描述高空核爆炸碎片云运动的流体-磁流体-粒子(particle-in-cell,PIC)混合模型,相较目前的主流模型,该模型能够计算更加广泛的空间尺度.根据碎片云运动涉及的高温离子、低温离子和中性大气的不同性质,采用三种模型进行联合求解:高温离子用PIC 粒子模型计算,低温离子用磁流体模型计算,中性大气用流体模型计算,并将三者之间的相互作用作为源项加入相应的控制方程.最后,计算了美国Starfish 试验中碎片云的扩展情况,与试验结果进行了比对,并验证了求解方案的可靠性.此外,还给出了不同投影角度下碎片云形状随时间的变化,并分析了影响碎片云运动的主要因素,包括大气阻力、磁压、槽型不稳定性和霍尔电流等.

1 引 言

碎片云是高空核爆炸重要的环境现象之一.高空核爆后,弹体材料和裂变产物在高温下形成高速运动的等离子体碎片云.碎片离子在扩展时沿垂直磁场和平行磁场方向产生性质不同的激波[1]和不稳定性[2,3],最终损失能量在大气中沉积形成槽型结构[4−6].高空核爆产生的效应与地面核爆完全不同[7−9].向高空运动的裂变碎片会持续衰变并产生大量电子,这些电子可以运动到同步卫星的轨道高度[10,11];与此同时,向地面运动的碎片等离子体可以电离并加热低海拔处的大气,并产生缓慢变化的电磁信号[12−14].高空核爆碎片云的运动和衰变形成的附加……