检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：张雨昕哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

能源关系着人类社会生存和发展,是不可或缺的重要物质基础。如今,传统化石能源的负面影响已经日益显现,核聚变能源由于自身原料无限、安全、清洁、无碳排放等优点,成为了解决能源供给不足问题的最优解。托卡马克作为一种利用磁约束来实... 详细信息

能源关系着人类社会生存和发展,是不可或缺的重要物质基础。如今,传统化石能源的负面影响已经日益显现,核聚变能源由于自身原料无限、安全、清洁、无碳排放等优点,成为了解决能源供给不足问题的最优解。托卡马克作为一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器,具有良好的发展前景。偏滤器是其中等离子体与壁相互作用最强的关键区域,如何设计、运行偏滤器已经成为核聚变研究中的重要课题。高效、准确的数值模拟可以为偏滤器的设计提供理论支持,但目前基于商用软件的数值模拟与实验结果常常存在较大偏差。因此,本文基于Euler-Poisson双流体模型,实现了对托卡马克偏滤器中等离子体反应的数值模拟,主要工作内容如下: 首先,本文使用双流体Euler-Poisson方程组对托卡马克偏滤器中的等离子体反应进行建模,通过无量纲化得到精简模型,提升模型的计算效率以及准确性。进一步,通过引入显隐时间离散格式或引入辅助变量等方式确定合适的渐近保持格式,使得原始模型连续地过渡到极限模型,从而避免了多尺度模型的退化问题。其次,本文在双流体Euler-Poisson方程组时间半离散格式的基础上进行空间离散化,得到等温静电场模型的全离散格式,并分别证明了时间离散后得到的半离散格式以及空间离散后得到的全离散格式的相容性。最后,本文利用PETSc软件包进行数值模拟程序编写,通过算例说明了基于有限差分方法得到的差分方程与微分方程是相容的。另外,通过可视化结果,验证了本文模型中各项物理量的作用符合物理阐述,实现了对等温静电场情形下托卡马克偏滤器中等离子体放电过程的实际预测。

关键词：托卡马克偏滤器渐近保持格式 Euler-Poisson方程组偏微分方程数值解等离子体数值模拟

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大气压填充式反应器等离子体解离二氧化碳反应机理数值模拟

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物理学报 2025年第2期74卷 184-197页

作者：彭毅汪纯婧李晶高凯悦徐汉城陈传杰钱沐杨董冰岩王德真南昌大学物理与材料学院南昌330031 盐城工学院信息工程学院盐城224051 江西理工大学资源与环境工程学院赣州341000 大连理工大学物理学院大连116024

本文基于PASSKEy(PArallel streamer solver with KinEtics)构建了一个多层介质球的二氧化碳填充式介质阻挡放电二维模型,并对此模型的流注传播演化动态过程进行了深入系统的仿真研究.研究指出第1层和第2层介质球的内侧不是二氧化碳解... 详细信息

本文基于PASSKEy(PArallel streamer solver with KinEtics)构建了一个多层介质球的二氧化碳填充式介质阻挡放电二维模型,并对此模型的流注传播演化动态过程进行了深入系统的仿真研究.研究指出第1层和第2层介质球的内侧不是二氧化碳解离等反应发生的主要区域,主要区域为流注传播路径以及第1层介质球的外侧.同时,本文还对此模型的电子密度与电场的演化进行深入解析,并给出了相应的物理机理和对应特征点的局部电场演化.此外,还分别研究了空间电荷和表面电荷的时空演化,指出整体上空间中的负电荷随着流注的形成和传播,不断收缩于流注内部和介质表面,而正电荷主导放电空间的电荷分布.并且通过展开特定介质球的表面,给出了具体的分布角度范围和演变趋势.最后研究了一氧化碳粒子和二氧化碳离子和氧气离子的时空演化机理,并且对放电空间中所有的电子和二氧化碳离子的空间能量沉积进行积分,数据表明在此模型中的总能量沉积值约为1.428 mJ/m,二氧化碳离子的沉积能量约为0.1251 mJ/m,占比达8.8%.

关键词：大气压填充式反应器二氧化碳解离等离子体数值模拟反应机理

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容性耦合等离子体击穿过程的数值模拟研究

容性耦合等离子体击穿过程的数值模拟研究

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作者：吴浩华中科技大学

学位级别：博士

容性耦合等离子体（capacitively coupled plasma,CCP）已经广泛用于半导体产业中的刻蚀、沉积、清洗等领域。对于CCP或者其他等离子体源而言,气体击穿是其形成等离子体不可缺少的过程,研究该过程对于认识等离子体的形成、优化等离子体... 详细信息

容性耦合等离子体（capacitively coupled plasma,CCP）已经广泛用于半导体产业中的刻蚀、沉积、清洗等领域。对于CCP或者其他等离子体源而言,气体击穿是其形成等离子体不可缺少的过程,研究该过程对于认识等离子体的形成、优化等离子体源、完善气体放电理论具有重要意义。然而,由于击穿时间极短,实验上难以对该过程进行诊断。因此,此前关于CCP击穿过程的研究工作极少。本文通过将二次电子发射模型、多种外电路模型、粒子数合并算法、多种物理量的诊断方法引入粒子云网格/蒙特卡洛碰撞（Particle-In-Cell/Monte-Carlo collision,PIC/MCC）模型中,以此研究了多种情况下的CCP击穿过程。各项研究内容及结果如下: （1）采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了双频驱动CCP中氩气的击穿过程。研究结果表明,整个击穿过程可分为三个阶段:前击穿阶段、击穿阶段、后击穿阶段。前击穿为电子雪崩阶段,由均匀电场驱动,电子密度在此阶段呈指数增长,电子诱导的二次电子发射对于电子雪崩至关重要。击穿阶段为鞘层形成阶段,不稳定鞘层使电子加热率达到峰值。鞘层的形成改变了CCP的电学特性,使CCP的极板电压大幅降低。后击穿阶段为稳定阶段,电离率逐渐下降,而边界的电子损失率则缓慢上升,二者逐渐接近。与此同时,等离子体的功率吸收也在此阶段逐渐下降并趋于稳定,二者使放电体系逐渐达到平衡。（2）采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了射频驱动CCP中CF4的击穿过程。研究结果表明,CF4击穿的前击穿阶段、击穿阶段、后击穿的初始阶段均表现为与氩气相似的击穿特性。在后击穿阶段的中后期,负离子密度的增加导致放电特性逐渐由电正性转变为电负性,电子加热模式也由α模式转变为漂移-双极模式。漂移-双极模式下的加热功率远高于α模式,导致了各类粒子产生率的进一步升高。复合率的缓慢增长使离子损失率逐渐增大,在经历数百微秒的演化后,离子损失率逐渐与产生率达到平衡,使整个放电进入稳态。（3）采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了射频驱动CCP中氩气的击穿条件。研究结果表明,在兆赫兹范围内,更高的电子诱导二次电子发射系数和更高的驱动频率均可显著扩大可击穿气压范围。在高频驱动下,极低气压区域存在多种异于传统放电的可维持和不可维持的放电类型。这些可维持反常放电的电子密度极低,电子密度空间分布与传统放电相反。（4）采用耦合了复杂外电路的一维PIC/MCC模型,研究了L型匹配回路下CCP的击穿过程。研究结果表明,由于储能器件的充放电特性,放电初期存在一个短暂的电信号稳定过程。整个前击穿阶段的放电体系可以看作是一个线性系统。击穿过程中,鞘层的形成瞬间提高了CCP的等效电容,改变了匹配电路中各类电信号的幅值。在后击穿阶段,逐渐变薄的鞘层使CCP的等效电容进一步增大,鞘层的振荡特性导致CCP电流出现高次谐波。通过调节匹配电路中的电容容值,可实现对CCP击穿演化特性的调制。

关键词：容性耦合等离子体等离子体数值模拟气体击穿粒子/蒙特卡洛模拟

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脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料等离子体动力学和发射光谱数值模拟

脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料等离子体动力学和发射光谱数值模拟

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作者：付彩龙大连理工大学

学位级别：博士

磁约束核聚变是实现聚变能的主要途径,是解决人类能源和环境双重危机的最佳途径之一。然而,在托卡马克装置中,由于等离子体不稳定和粒子碰撞,磁场不能完全阻止等离子体热流和高能粒子流的横向输运,这导致了等离子体与托卡马克第一壁材... 详细信息

磁约束核聚变是实现聚变能的主要途径,是解决人类能源和环境双重危机的最佳途径之一。然而,在托卡马克装置中,由于等离子体不稳定和粒子碰撞,磁场不能完全阻止等离子体热流和高能粒子流的横向输运,这导致了等离子体与托卡马克第一壁材料的相互作用(Plasma Wall Interaction,PWI),发生第一壁侵蚀、杂质产生、燃料滞留和再沉积等问题。由于托卡马克装置的极端工作条件,开展等离子体与壁材料相互作用诊断研究,对第一壁材料的选取和未来的聚变堆装置寿命及安全运行都有着极为重要的意义。激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术被认为是等离子体与材料相互作用中元素诊断的重要工具,并已经在“东方超环”(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)装置中在线应用。近年来,各国在直线等离子体装置上的LIBS实验研究也取得了不同程度的进展。激光烧蚀等离子体参数决定着LIBS的关键物理过程,等离子体尺度小、时间短以及高温高压的极端条件,使得传统的诊断方法无法获得激光烧蚀等离子体的详细参数。尤其是等离子体演化的早期阶段,特征谱线淹没在轫致辐射谱线中,提高了实际测量的难度,对LIBS定量分析精度影响很大。因此需要通过建立合理的数值模型,为激光烧蚀托卡马克高Z壁材料过程中等离子体动力学以及发射光谱提供详细参数,在优化LIBS实验技术的同时,还能更深入地理解激光与材料相互作用的机理。目前存在多种激光烧蚀等离子体的模型,但大多数模型描述的物理过程不全面,或侧重于对材料的烧蚀,或侧重于对等离子体羽辉的描述。而利用激光烧蚀等离子体模型针对托卡马克高Z壁材料的研究相对较少。尤其是在大型聚变装置上,激光烧蚀等离子体的模型主要集中在高能激光打靶惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)的相关领域,与LIBS相关的激光烧蚀第一壁高Z材料的等离子体动力学及发射光谱的数值模拟研究工作极为匮乏。因此,本文针对EAST第一壁诊断的重要需求,通过建立合理的理论数值模型,为激光烧蚀托卡马克壁材料过程中等离子体动力学以及发射光谱提供详细参数,从而更深入地理解激光与高Z材料相互作用的物理机理。具体研究内容如下:第二章,建立了真空条件下纳秒脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料的一维流体动力学以及发射光谱模型。该模型综合考虑了激光烧蚀靶材的相变、等离子体羽辉的动力学演化、等离子体局域热平衡(LTE)、等离子体屏蔽效应以及等离子体发射光谱等物理过程,利用有限差分法、流体力学的黎曼解法和牛顿迭代法等数值算法,使用C++语言进行了编程。第三章,利用所建立的单脉冲模型,进行了激光烧蚀托卡马克高Z壁材料钼(Mo)和钨(W)等离子体动力学以及发射光谱的数值模拟。首先,计算了激光烧蚀Mo等离子体屏蔽效应随激光功率密度的变化规律、Mo等离子体羽辉的主要参数(粒子数密度、速度和温度)、Mo原子谱线的时间演化,并与实验数据进行了比较分析。然后,研究了激光烧蚀W等离子体温度与W等离子体轫致辐射强度的关系、W原子谱线和一价离子谱线的时间演化以及W等离子体轫致辐射的时间演化,并与实验数据进行了比较分析。最后,将不同功率密度下W等离子体与Mo等离子体的密度、温度以及速度进行了对比。第四章,在单脉冲模型的基础上,建立了真空条件下双脉冲激光烧蚀托卡马克高Z壁材料的一维流体动力学以及发射光谱模型。考虑了两个脉宽同为纳秒量级的高斯型的脉冲激光,对于连续脉冲(双脉冲间隔小于激光脉宽)的情况,边界条件与单脉冲模型相同;而对于非连续脉冲(双脉冲间隔大于激光脉宽)的情况,需要将Knudsen层作为边界条件。针对双脉冲的不同时间间隔,以及不同的激光功率密度,讨论了第二束脉冲激光能量在等离子体与靶材中的耦合过程。对于非连续和连续的双脉冲烧蚀托卡马克高Z壁材料模型,均考虑了等离子体中冲击波的形成,利用守恒型差分格式,流体力学的黎曼解法,捕捉两个等离子体相互作用过程中形成的冲击波。第五章,利用所建立的双脉冲模型,进行了双脉冲间隔分别为50ns和100ns情况下激光烧蚀EAST壁材料Mo和W等离子体动力学以及发射光谱的数值模拟。首先,计算了双脉冲条件下W等离子体的参数(粒子数密度、速度和温度)、W等离子体屏蔽效应、W等离子体发射光谱。然后,计算了双脉冲和单脉冲情况下Mo等离子体动力学对比、双脉冲情况下W等离子体与Mo等离子体的动力学对比以及不同功率密度对应Mo等离子体动力学演化。第六章,总结全文并对将来LIBS数值模拟研究工作进行了展望。

关键词：激光诱导击穿光谱脉冲激光烧蚀等离子体发射光谱等离子体数值模拟托卡马克壁诊断等离子体与壁相互作用高Z壁材料

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直流电弧等离子体法制备石墨烯的数值模拟及生长机理研究

直流电弧等离子体法制备石墨烯的数值模拟及生长机理研究

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作者：叶凯昆明理工大学

学位级别：硕士

直流电弧等离子体法作为一种制备高纯度石墨烯的有效方法,具有操作安全简易、环境友好和制备效率高等优点,且可以通过改变实验条件对石墨烯的尺寸与层数进行控制。但石墨烯的生长机理不同于碳纳米管,其制备过程无需催化剂,无法从催化剂... 详细信息

直流电弧等离子体法作为一种制备高纯度石墨烯的有效方法,具有操作安全简易、环境友好和制备效率高等优点,且可以通过改变实验条件对石墨烯的尺寸与层数进行控制。但石墨烯的生长机理不同于碳纳米管,其制备过程无需催化剂,无法从催化剂成核的角度来解释其生长机理。另一方面,电弧等离子体具有高温特性和复杂的电磁相互作用,导致关于等离子体性质的研究难度较大,这也是电弧法制备石墨烯的生长机理尚未得到定论的原因。针对以上问题,本文将直流电弧等离子体法制备石墨烯的实验与等离子体数值模拟相结合,从等离子体性质的角度出发,探究了等离子体作用下的石墨烯生长模型和不同实验参数对其生长过程的影响。首先,采用电弧法在不同电流和缓冲气体压力的条件下制备石墨烯,测试结果表明电流和压力的增大均导致石墨烯的平均尺寸与层数的增加。随后,通过COMSOL Multiphysics软件求解磁流体动力学方程组和碳蒸气质量守恒方程,得到了电流密度、温度、速度、碳质量分数和碳簇数密度等分布。结果表明,在大电流条件下,相同位置的电流密度、温度和速度更大,且阳极表面温度的提高增强了阳极的蒸发过程,对应着更大的蒸发质量通量和碳质量分数。在150、200和250 A的电流条件下,阳极表面温度分别为3999.4、4172.6与4267.7 K,阳极蒸发速率分别为70.1、148.9与212.4 m/s,阳极表面的碳质量分数分别为50%、72%和82%。此外,较大的电流和压力条件对应着更高的碳簇数密度。分别以碳纳米颗粒的最高成核温度4900 K和氢气的电离初始温度3000 K作为石墨烯生长的起始温度和终止温度。在石墨烯的生长区间内,上述电流条件下的碳簇数密度初始值分别为1.35×10、2.89×10和4.11×10m;而在80、90和100 k Pa的压力条件下,碳簇数密度的初始值分别为3.31×10、3.73×10和4.16×10 m。最后,基于实验和数值模拟的结果提出了等离子体作用下的石墨烯生长模型,结合均相成核理论解释了实验参数对石墨烯生长过程的影响机理,并给出了其层数的计算方法。石墨烯的生长分为横向生长与纵向堆叠两种过程。较大的电流和压力对应更高的碳纳米颗粒成核温度,增强了石墨烯的横向生长与纵向堆叠过程,导致其平均尺寸与层数的增大。通过电弧法制备石墨烯生长机理的研究,将推进电弧法在石墨烯制备领域的应用,为石墨烯的大规模可控制备提供理论基础。

关键词：直流电弧等离子体石墨烯等离子体数值模拟生长机理

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从美国EMPIRE软件看大型高功率脉冲电磁等离子体程序研发趋势

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电波科学学报 2024年第5期39卷 827-835,957页

作者：董志伟董烨薛碧曦周海京北京应用物理与计算数学研究所北京100094

EMPIRE软件是美国针对下一代高性能计算平台开发的电磁等离子体模拟软件,可用于高置信度地开展高功率脉冲产生、传输以及与物质互作用的全过程模拟。解读EMPIRE软件的研制进展对发展大型高功率脉冲电磁等离子体软件具有重要借鉴意义。... 详细信息

EMPIRE软件是美国针对下一代高性能计算平台开发的电磁等离子体模拟软件,可用于高置信度地开展高功率脉冲产生、传输以及与物质互作用的全过程模拟。解读EMPIRE软件的研制进展对发展大型高功率脉冲电磁等离子体软件具有重要借鉴意义。首先分析了EMPIRE软件的架构及数学物理方案,然后着重讨论了其性能可移植性的软件特征和各子模块的算法特点,最后结合具体的应用案例展示了EMPIRE的强大计算能力。解读EMPIRE的启示包括如下几点:使用异构架构是实现未来E级(百亿亿次级)计算能力部署的关键点;研制灵活的功能模块,开展分层级的建模计算,最后拉通整个物理过程链条模拟,能够有效发挥装置指标的数值评估作用;多团队协作共同开发是丰富软件功能的基础;软件的置信度需要全方位的验证与确认。

关键词：等离子体数值模拟 EMPIRE软件高功率脉冲粒子-流体混合模拟性能可移植性

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射频增强电推力器加速机理的数值模拟研究

射频增强电推力器加速机理的数值模拟研究

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作者：张军军大连理工大学

学位级别：博士

深空探测、宇宙航行等航天任务的开展,急需大功率、高比冲、大推力、长寿命的电推力器。旋转电场(Rotating Electric Field,REF)射频增强电推力器应运而生,它以螺旋波为等离子体源,采用REF对产生的等离子体进行加速,是一种无电极电推力... 详细信息

深空探测、宇宙航行等航天任务的开展,急需大功率、高比冲、大推力、长寿命的电推力器。旋转电场(Rotating Electric Field,REF)射频增强电推力器应运而生,它以螺旋波为等离子体源,采用REF对产生的等离子体进行加速,是一种无电极电推力器。该推力器没有腔体、电极腐蚀,使用寿命更长;能对电子、离子同时加速,实现羽流自中和,无需要增设中和器;采用射频工作方式,具有高功率、大推力、高比冲的特点。射频增强电推力器提出时间较短、物理机理复杂,现有研究主要为低维度数值模拟与实验,难以全面、深入研究推力器微观机理。因此,建立系统、完善的射频增强电推力器数值仿真模型对深入研究推力器粒子加速机理、推力器设计、优化、性能提升具有重要参考价值与指导意义。本论文旨在研究REF作用下等离子体的产生、加速过程,掌握REF径向等离子穿透作用,明确等离子体轴向加速机理,主要研究工作如下: 首先,改进现有容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)放电模型,为接地平板通入射频电压,建立了射频增强电推力器加速腔截面的1D仿真模型,分析了推力器中等离子体放电机理、各粒子产生过程及获能方式。仿真结果表明:带电粒子主要在等离子体鞘层强电场区域获得能量进行加速,其中,电子质量小,随REF发生周期性变化,高能电子主要分布在鞘层与等离子体准中性区域交界附近,因此,该区域电离率较大,进入等离子体主体区域后,运动逐渐受到中性粒子阻碍,大量电子留在等离子体准中性区域,电子速度及电离率逐渐减小;离子质量大,难以及时响应REF,在推力器内运动平缓;鞘层内电子剧烈变化导致空间电荷分离,形成变化巨大的电场,该电场为离子加速主要能量来源;受等离子体准中性影响,大量离子分布在准中性区域,少量离子存在于鞘层,离子速度及电流密度在鞘层内具有较大值。其次,为研究REF形成条件及其在等离子体中的径向穿透作用,建立了射频增强电推力器加速腔截面的2D仿真模型。仿真结果表明:加速电极相位差为90°时能够得到与背景磁场耦合较好的REF,在REF与背景磁场作用下等离子体能被有效加速;增大电压幅值,REF变强,能够穿透等离子体层更厚,令更多粒子受到REF作用,粒子分布更集中;增大电源频率,REF旋转速度加快,等离子体趋肤深度减小,REF穿透等离子体层更薄,受REF作用的粒子范围减小,等离子体准中性区域扩大,粒子分布范围增大且分布更均匀;加速电极相位差不影响REF穿透等离子体效果,仅改变粒子运动方向。之后,搭建了基于笛卡尔坐标系的3D REF射频增强电推力器数值模拟平台,解决了大规模、高维度电磁场求解效率低、速度慢的问题,同时解决了传统PIC方法由于等离子体仿真时间、空间步长等稳定性条件限制无法应用于3D REF射频增强电推力器仿真的问题。电磁场求解器中各控制方程采用有限差分离散格式,对应离散格式下大规模线性系统采用维度转换稳定双共轭梯度(Dimension Transformed Bi-Conjugate Gradient Stabilized,DT-Bi CGSTAB)算法进行求解。为进一步提高电磁场求解效率,在计算域中采用完美边界层(Perfectly Matched Layer,PML)模拟无穷远域,大幅缩小了计算域。求解器采用并行方式运行,能够高效计算大规模、高维度电磁场。采用隐式粒子单元(Particle In Cell,PIC)法描述等离子体中各粒子运动,突破了传统PIC方法对等离子体仿真时间、空间步长的限制,使3D REF射频增强电推力器仿真成为可能。最后,基于低维仿真结果及3D仿真平台,建立了射频增强电推力器加速腔的3D仿真模型,对推力器内电子、离子时空演化过程及轴向加速机理进行了深入研究。仿真结果表明:电子质量小,能够快速响应REF进行角向加速,形成高速电子流;电子流与背景磁场轴向分量相互作用对电子径向压缩,其与背景磁场径向分量相互作用将电子角向加速转换为轴向加速;离子质量大,无法及时响应REF,随着等离子体向腔体出口运动,离子分布变为两部分,一部分是与变化电子空间距离较近的离子团,另一部分为距离变化电子较远、位于加速腔边缘的离子团;与变化电子空间距离近的离子在电子变化引起的电荷分离产生的巨大电场作用下加速,在腔体边缘的离子主要靠REF平均效应加速;此外,由出口离子速度分布估算得到推力器在加速电压1000V时比冲约为2578s,推力约为1.5m N,该性能与同尺寸、加速电压相近的传统推力器相当。

关键词：空间电推进旋转电场射频增强电推力器粒子加速径向穿透等离子体数值模拟

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低气压空心阴极氩电弧等离子体的数值研究

低气压空心阴极氩电弧等离子体的数值研究

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作者：从拾源大连理工大学

学位级别：博士

低气压空心阴极放电系统通常是由空心圆管和阳极构成的一种结构简单的放电系统。特别是电弧放电模式下,其具有更高的等离子体密度和能量密度,可以在较广的气压和电流范围内稳定运行。自上世纪60年代以来,低气压空心阴极电弧(HCA)作为等... 详细信息

低气压空心阴极放电系统通常是由空心圆管和阳极构成的一种结构简单的放电系统。特别是电弧放电模式下,其具有更高的等离子体密度和能量密度,可以在较广的气压和电流范围内稳定运行。自上世纪60年代以来,低气压空心阴极电弧(HCA)作为等离子体源被广泛应用于加工制造、真空焊接、航空航天等各个领域。尽管关于低气压空心阴极电弧放电的实验与应用研究较早,但基础理论方面的研究相对较为滞后,导致其中仍然存在许多悬而未解的问题,比如最佳放电运行参数,阴极内的功率沉积过程,等离子体不稳定性的产生原因,以及如何有效降低阴极的侵蚀等等。由于空心阴极这种特殊的放电结构,要准确地进行实验诊断较为困难,因此对其进行合理的数值模拟不失为一种有效的研究手段。然而,到目前为止,仍然缺乏一套相对完善的能够计算低气压空心阴极电弧放电中各个物理场的有效数值模型。针对以上的问题和所面临的困难,本文基于COMSOLMultiphysics有限元数值计算程序提出了一套较为完善和自洽的二维多物理场耦合数值模型。该模型涉及了等离子体的输运,电弧的流动与传热,阴极的热平衡过程,并且能够考虑外加磁场对等离子体的影响。在阴极热平衡过程中考虑了二次电子发射、热场电子发射、离子与回流高能电子轰击,以及阴极表面对外热辐射等过程。基于上述背景,本文从以下几个方面展开工作:第一章,首先介绍了低气压空心阴极放电的基本概念,包括空心阴极效应和空心阴极电弧的基本特性与运行模式。其次,综述了空心阴极放电的主要应用领域、发展历程及国内外的研究现状;最后,提出问题并交代了研究背景,明确了本文的研究目的。第二章,从基础理论和基本假设出发提出了更加完善和自洽的低气压空心阴极电弧放电(HCA)数值模型,并对模型中的控制方程组和边界条件进行了详细的阐述。此外,本章还详细介绍了等离子体中的电子能量分布函数、碰撞过程、模型求解工具及相应的计算方案。最后,为了检验该数值模型的合理性和适用性给出了验证算例。第三章,研究了低气压空心阴极电弧等离子体的基本物理性质。首先研究的是离子焦耳加热效应。结果表明,在考虑离子焦耳加热后,电弧和阴极的温度分布才能够接近实验测量值,可见离子的焦耳热对电弧等离子体的加热至关重要。其次,通过比较阴极内部电子与离子密度的径向分布,发现该数值模型可以很好地模拟出阴极鞘层的结构。最后,研究表明了阴极表面对外热辐射是阴极上重要的冷却机制,只有在更高的表面发射率下,阴极的热辐射才能够平衡等离子体给予阴极的较大热流,阴极的温度分布才会呈现出非单调递增的趋势而并与实验测量分布保持一致,故而形成所谓的活化区。第四章,研究了低气压空心阴极电弧中功率的沉积过程。主要从两方面考虑,一是功率在粒子(包括电子和重粒子)上的沉积,二是功率在阴极上的沉积。研究发现,增加放电电流可以增加在粒子上的沉积功率,但不影响在阴极上的总功率沉积。在高密度等离子体中,电子与离子之间的库仑碰撞也变的非常重要,特别是在重粒子上的沉积功率有一部分主要来自电子向离子的能量转移。研究还发现不论外部参数如何变化,在阴极上的功率沉积几乎总是有一半来自于粒子的贡献,另一半则为传热与热辐射的净贡献。该数值模型还可以模拟出空心阴极电弧在较大气体流率范围内的多种放电状态。研究还表明放电运行参数和外部磁场可以改变阴极壁上粒子流的分布。第五章,通过耦合该空心阴极电弧数值模型与移动网格技术,模拟了阴极上的离子溅射侵蚀过程。结果表明,对阴极的离子溅射侵蚀取决于阴极壁面附近的离子通量和等离子体电势,而且它们的分布和大小共同决定了阴极的侵蚀形貌。还发现阴极上最严重的侵蚀位置位于阴极壁面上离子流最密集的区域,而非与内部正柱中心在纵向上对应的位置。外部磁场可以减缓阴极侵蚀并减小侵蚀深度,但更强的磁场导致电流密度集中在阴极尖端,反而会略微加剧阴极出口端的侵蚀。最后一章,总结全文,提出了本文的创新点,并给出了未来的研究展望。

关键词：空心阴极电弧 COMSOL有限元法多物理场耦合等离子体数值模拟阴极离子溅射侵蚀

来源：评论

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基于PPR的IFE-PIC数值模型界面问题梯度重构方法研究

基于PPR的IFE-PIC数值模型界面问题梯度重构方法研究

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作者：蒋与晶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

IFE-PIC(Immersed Finite Element-Particle In Cell)是一种用于研究等离子体动力学和静电场参数的电磁场数值仿真模型,其中PIC用于模拟粒子运动,IFE用于求解电场强度。由于通过有限元方法得到的电场分布在空间内不连续以及传统的线性... 详细信息

IFE-PIC(Immersed Finite Element-Particle In Cell)是一种用于研究等离子体动力学和静电场参数的电磁场数值仿真模型,其中PIC用于模拟粒子运动,IFE用于求解电场强度。由于通过有限元方法得到的电场分布在空间内不连续以及传统的线性插值法不适合处理界面问题,近年来保多项式梯度重构技术(Polynomial Preserved Recovery,PPR)因能够通过有限元解中重建连续的近似梯度而被广泛用于网格平滑化、后验误差估计和自适应有限元方法,因此本文将通过PPR求解IFE-PIC数值模型中椭圆界面问题的梯度。应PPR相关理论要求,为使重构梯度具备超收敛性,选择了含惩罚项的浸入式有限元方法(Partially Penalized Immersed Finite Element Method,PPIFE)求解偏微分方程。本文在IFE的理论基础之上对PPIFE的弱格式进行离散化处理,在完成包括网格划分、基函数求解、高斯求积等有限元线性系统构建过程时考虑了较为复杂的界面阶跃条件。算例结果表明在界面无阶跃时PPIFE的数值解的L范数和H范数的收敛阶均不会随着网格加密而下降,而当存在界面阶跃时PPIFE结果的范数表现也要比IFE更好。在普通有限元条件下,本文结合PPR相关理论讨论了双线性元条件下的梯度重构过程,建立了评估重构梯度误差的两种方法,验证了PPR重构梯度在双线性元条件下的的超收敛性。在双线性浸入式有限元条件下,对IFE的两种PPR方法进行修正,分别在所构造的贴体混合网格和忽略界面网格条件下进行梯度重构,算例结果显示通过修正后的PPR方法得到的重构梯度的收敛阶仍能达到理论值O(h)。最后单粒子模拟和基于经典鞘层模型的多粒子模拟的结果均说明了PPR能够提高等离子体运动的计算精度。

关键词： IFE-PIC 梯度重构等离子体数值模拟双线性元

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引用

力学学报 2020年第1期52卷 292-300页

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