MPI-AMRVAC中的双流体实现及其在太阳色球层中的应用

色球层是太阳大气的部分电离层，是气体几乎中性的光球层与完全电离的日冕之间的过渡区。随着色球层上部中性粒子与带电粒子间的碰撞耦合减弱，流体力学时间尺度可能与碰撞时间尺度相当，此时需要双流体模型。本文描述了一个双流体模型的实现与验证，该模型通过碰撞耦合同时演化带电粒子与中性粒子。双流体方程在完全开源的MPI-AMRVAC代码中实现。在光球层及太阳大气下部，带电与中性粒子碰撞极为频繁，显式时间推进将受到过强限制，因为为保持稳定性时间步长需正比于碰撞频率的倒数。这一问题通过使用显式-隐式（IMEX）格式隐式计算碰撞项得以解决。所展示的算例涵盖了差异很大的碰撞机制，其结果均与相关文献发现完全一致。若碰撞时间与长度尺度小于太阳色球层中通常考虑的流体力学尺度，则中性流体与带电流体中看到密度结构相似，带电与中性粒子间弹性碰撞的效果类似于扩散。否则，密度结构不同，且两物种间速度退耦增强。IMEX格式的使用有效避免了强碰撞机制下完全显式实现的小时间步长限制。与相同有效分辨率的均匀网格计算相比，自适应网格加密（AMR）大幅降低了计算成本。