| 研究課題/領域番号 |
21K03498
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分14010:プラズマ科学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
廣田 真 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40432900)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
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| キーワード | 磁気流体力学 / 自由境界問題 / 二流体プラズマ / 数値シミュレーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
磁気流体力学(MHD)は磁場閉じ込め核融合プラズマや宇宙プラズマの巨視的なスケールの現象を理解するために広く用いられている。しかし、プラズマが真空領域と接しているような自由境界問題、あるいはプラズマ密度がほぼゼロである領域を含む問題は現実に数多く存在するが、数値計算でMHD方程式を解くのが技術的に困難とされる。本研究ではMHD方程式において無視されている微視的スケールの物理(二流体効果)を取り入れた拡張MHD方程式を解くことにより、このような真空中のプラズマの運動を適切にシミュレーションをする技法を構築する。
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| 研究成果の概要 |
プラズマが真空と接する周辺部では、密度が下がるにつれてMHDの近似が破綻するため、物理的に正しい解をMHDで求めることができない。本研究では従来用いられてきた擬真空モデルに加えて、二流体効果を含んだ拡張MHDモデルを用いる方法について検討を行った。具体的にZピンチ平衡を解析の対象とし、真空領域に囲まれるプラズマの平衡解を数値的に求めた。プラズマが断熱変化をする場合は界面が特異点となり、数値計算でこの特異性を正則化する方法を提案した。また、拡張MHDモデルでは、真空領域でも微小な粘性が存在しないと平衡状態が得られないことがわかった。これにより拡張MHDはプラズマの自由境界を扱うことができる。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
磁場閉じ込め核融合プラズマや天体プラズマは、真空領域によって囲まれていることが多く、外側に向かって密度は徐々に下がっていく。プラズマの運動を記述する磁気流体力学(MHD)は古くから用いられてきたが、密度がゼロになると物理的に正しくなくなり、数値計算も非常に不安定になることが長年の問題となっている。本研究の成果は、MHDをより物理的に正しい形に拡張することで、真空領域を含めた数値解析が可能になることを提案しており、核融合研究や天体物理などの様々な問題に応用ができると期待される。
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