磁等离子体推进器阳极半径对阳极功率沉降的影响

随着人类航天事业的发展,需要研发适用于不同空间任务的推进系统,与磁约束核聚变原理类似的磁等离子体动力推进器(MegnetoPlasmaDynamic Thruster,MPDT)在推力功率比和比冲方面具有优越性能。阳极功率沉降是MPDT运行过程中等离子体与壁面相互作用的结果,占总功率的40%~90%,严重降低推进器效率。针对该问题,本文从阳极功率沉降的角度探究了阳极半径对推进器效率的影响。基于磁流体力学方程(MagnetoHydroDynamic,MHD),利用数值计算方法建立径向放电参数数值模型和阳极功率沉降物理模型,研究计算了阳极半径对放电参数和阳极功率沉降的影响规律,并建立热仿真模型对阳极水冷散热结构进行了热仿真。研究结果表明:增大阳极半径,电子密度及离子速度得到提高,阳极功率沉降增大,但阳极功率沉降分数降低,推进器效率得到提升。热仿真结果显示,水冷结构阳极在输入阳极功率沉降约为3 kW时,对应的阳极冷却水温差为5 K。本研究验证了阳极功率沉降物理模型的可靠性,并指出增大阳极半径是提升推进器效率的有效手段。

高空核爆炸早期碎片等离子体模拟

针对高空核爆炸早期碎片等离子体模拟,提出了高空核爆炸等离子体演化过程必须经历的4个阶段,包括链式反应阶段、早期过渡期、非平衡碰撞期和非平衡无碰撞期。在此基础上,给出了用于描述早期过渡期、非平衡碰撞期和非平衡无碰撞期3个阶段的适用模型和基本方程:早期过渡期适用相对论性多温流体,用相对论性流体方程描述;非平衡碰撞期适用相对论性碰撞等离子体,用相对论性玻尔兹曼-麦克斯韦耦合方程描述;非平衡无碰撞期适用非相对论性无碰撞等离子体,用流体-PIC(particle-in-cell)混合模拟描述。

电流体动力等离子体发生器的仿真优化

目前电流体动力（EHD）等离子体发生器的能量转化效率还远不能满足实际应用的要求，等离子体发生器的性能优化因此成为研究中的核心问题。针对目前基于泊松方程解的仿真方法耗费机时长，某些参数不能精确测量的现状，提出了基于拉普拉斯方程解的等离子体发生器仿真计算方法，并验证了利用此方法进行EHD等离子体发生器初步性能优化的可行性。仿真结果表明，低电极宽度对等离子体发生器性能影响甚微，而电极间水平间距为1～1．5mm时，EHD等离子体发生器的性能最佳。此方法将为EHD等离子体发生器下一步的性能优化研究提供参考。

射频辉光放电CH_4等离子体一维流体动力学模拟

完整建立一个关于射频辉光放电CH4等离子体的流体动力学模型.模型包括基于迁移-扩散近似的粒子平衡方程、电子能量平衡方程,共包含了20种粒子(环境气体粒子,激发态粒子,离子和电子)和49类化学反应(电子-中性环境粒子、离子-中性环境粒子、激发态粒子-激发态粒子(中性环境粒子)).结果表明,在强电场区域有较高的电子反应率系数;等离子体中除源气体CH4外,H2,C2H6,C3H8,C2H4和C2H2也有较高的密度含量;激发态粒子中,CH3含量最高,密度约为1019m-3;在较低放电压力时(如18 Pa),CH5+在离子成分中密度含量最高,当放电压力较高时(如67Pa),C2H5+在离子成分中占主导地位;除C2H5+外,其它各离子和激发态粒子在极板上的粒子流量随功率的增大逐渐升高.

等离子体断路开关的一维磁流体力学数值模拟

采用磁流体力学的方法对等离子体端路开关进行了一维数值模拟,通过对给定的进入等离子体的电流波形模型的计算,给出了轴向上等离子体的运动及其不同时刻的密度分布,分析了磁场在等离子体内部的异常渗透过程,指出考虑Hall效应是产生这一异常现象的最为主要的因素。

柱等离子体中磁流体力学波之间的耦合

采用柱螺旋坐标系 ,把广义磁流体力学方程组简化为四元一阶微分方程组。在ω/ωci→ 0时 ,该方程组化为Hain L櫣ｓｔ方程 ;而当p→ 0 时 ,即是KAppert理论。在这两种情况下 ,Alfv啨ｎ波共振层都是奇异的。Alfv啨ｎ波共振层的奇异性来源于极限的选取谠独爰薜那?,离子的惯性会使理想磁流体中Alfv啨ｎ波共振层的奇异性消失 。

HT-7U等离子体位形与电流控制的数值模拟

通过数值求解了等离子体磁流体方程组,模拟了HT 7U装置自由边界等离子体位形及控制系统随时间的演变过程。模拟的结果对HT 7U装置及等离子体控制系统的设计具有重要的意义。

磁控等离子体对圆管内流动和传热的影响

数值研究了不同强度磁场作用下,等离子体隔离高温气体和圆管壁的可行性。计算采用磁场作用下的修正k-ε湍流模型和诱导磁场方程,并利用标量输运方程的求解器对它们进行求解。结果表明磁控等离子体改变了边界层内的对数律速度分布,降低了壁面摩擦系数;磁场有效地抑制湍流并阻止高温气体对等离子体的掺混,并有一定量的等离子体随高温气体喷出,继续包裹尾气。在强磁场作用下,等离子体内流动和传热出现各向异性,整体的传热能力被减弱,从而降低了圆管壁面温度。

用流体力学方法研究等离子体中的有质动力

本文应用流体力学方法,引入双流模型,用双时标处理,对Langmuir等离子体中的有质动力进行了研究,得出了有质动力的表达式,并对公式进行了讨论。

数值仿真HPM大气击穿中等离子体丝状阵列的形成

文章结合Maxwell方程,修正的自洽电子流体方程,采用时域有限差分法(FDTD)对高功率微波(HPM)大气击穿进行了仿真,分析了等离子体丝状形成过程、原因,结果表明:气体击穿后,形成沿着波的传播方向规律的排列着的等离子体丝状,离散的丝状向源的方向发展,相邻等离子体丝状之间的距离略小于1/4波长,等离子体丝状向源方向发展是电离和扩散共同的结果。

用B2程序模拟HL-2A装置附着状态等离子体

用大型边缘多流体二维等离子体输运数值模拟程序B2模拟了HL 2A装置外偏滤器以及与之相连的刮削层内的等离子体。在不同的中心密度运行区,纯氢放电的HL 2A偏滤器可以形成不同的再循环运行模式,即线性或高再循环模式。通过控制模拟刮削层与芯部等离子体交界面处的等离子体参数,可实现对HL 2A装置再循环模式的控制。

磁等离子体动力推力器加速机理研究与仿真

磁等离子体动力推力器具有高比冲、大推力的特点,是一种非常有前途的空间电推进形式。为进一步提高推力器的性能,需要进行强磁场下的推力器加速机理研究。与传统小功率电推力器相比,磁等离子体动力推力器功率大,推进剂流量大,导致实验研究难度大,成本高,存在一定的危险性。利用等离子体电导率模型和磁流体方程组,对强磁环境下推力器进行建模,在0.2、0.53、0.66、1.54 T不同磁场强度下进行了仿真。结果表明,推力器比冲和电压随着磁场强度的提高而增加,比冲变化范围3400~4650 s,电压变化范围120~236 V,推力器效率先增加、后减小,从60.8%增加到72.6%,最后减小到57.9%。研究结果表明,磁流体模型和电导率模型能够反映出磁场对等离子体的加速作用,磁场强度会影响比冲和效率。该模型可为以后推力器的设计和优化提供参考。

一个快速模拟热稠密非平衡等离子体的碰撞辐射模型

在实验室和天体等离子体研究中,原子/离子的激发、退激发以及电离、复合过程对等离子体的电离和能量平衡有着重要的影响.在激光等离子体作用的辐射流体模拟中,需要在线计算等离子体的平均离化度和吸收/发射系数.在现有的计算能力下,通常采用比较简单的平均原子(average atom, AA)模型进行在线计算.随着实验技术和计算能力的发展,急需发展能够在线计算的细致非平衡原子模型.本文报道了最新发展的多离化度平均离子碰撞辐射模型(multi-average ion collisional-radiative model, MAICRM).该模型用一个平均离子模拟等离子体中某一离化度所有离子的平均轨道占据数和布居,即每个平均离子的轨道占据数为该离化度所有离子的轨道占据数的平均;平均离子的布居等于该离化度离子的布居和.平均离子的轨道占据数和布居通过迭代求解速率方法得到.用该模型计算了Fe, Xe和Au非平衡等离子体的离化度分布,计算结果与细致组态和超组态模型以及实验测量符合,而计算量相对于细致组态/超组态大大降低.预期该方法能与辐射流体程序耦合,实现细致非平衡原子模型的在线计算.

极板电压与间距对大气压射频氩等离子体放电参数的影响

基于1维流体力学模型,对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程,对等离子体反应产生的主要粒子,包括电子、氩原子离子Ar+、氩分子离子Ar2+和氩激发态Ar*等,建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar+,Ar*和Ar2+密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变,对应一定的极板间距,极板电压有一个最佳值,极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值,而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数,从而使放电空间粒子数密度发生改变。

等离子体混杂振荡的动力论描述

本文从 Bernstein 模色散关系出发,论证了在低密度等离子体中能够承载(support)频率接近上混杂模和频率为ω_L=(ω_(P1)~2+Ω_i^2)1/2的下混杂模两种短波长振荡,它们在三波衰变相互作用过程中,将扮演重要角色。

气体放电中等离子体流体模型的级数解

数值模拟技术已成为低温等离子体研究的一种有效方法,然而由于耦合性极强的电子、正负离子方程组"刚性问题"的存在,使模拟计算受到很大限制,这是等离子体模拟所面临的困难.本文针对气体放电中多离子等离子体流体模型,考虑正负离子、电子间的相互碰撞作用及正负离子、电子的产生消耗和迁移扩散问题,对一般初始边界问题,基于分离变量法,导出了一维形式的正、负离子、电子密度随时间空间变化的级数解,获得了气体放电过程中正、负离子、电子密度时空分布一维形式的解析表示.由于研究的出发点是基于一般形式的带电粒子及电势边界条件,并未涉及具体的电极上电压施加方式,因此本方法不仅适用于直流放电过程而且还适应于交流放电过程.

三维激光等离子体相互作用并行数值模拟

提供一个三维非线性流体力学与激光传播耦合的并行求解软件LAP3D，以帮助物理人员研究激光束自聚焦、激光成丝现象。LAP3D基于三维Cartesian坐标系，假设激光沿z向传播，在等离子体标准中性近似假设条件下，忽略电子动量，求解三维Euler流体力学方程、非局域电子热传导方程、旁轴包络近似的激光传播方程3个物理过程。

求Helfrich方程级数解的一种新方法

利用流体膜泡的物理条件 ,引入泰勒级数解法来求解二阶非线性微分方程 - Helfrich方程 。

柱等离子体中广义磁流体方程组的简化形式与本征模解

本文从含有广义欧姆定律的磁流体力学方程组出发,仅作符合加热托卡马克等离子体具体实验条件的近似,把广义磁流体方程组简化成4元一阶微分方程组。对均匀密度等离子体柱情况求出解析色散关系(本征模解),并证明Appert理论是本文的极限情况。