同轴微阴极电弧推力器的粒子网格法数值模拟

采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)方法对同轴微阴极电弧推力器(μCAT)工作过程进行了模拟研究,并应用自相似方法对模型进行简化,获得了推力器羽流区的电子数密度分布、离子数密度分布、电势分布及离子轴向平均速度,通过改变磁感应强度和位形分析磁场对推力器内等离子体运动特性及推力器性能的影响。计算结果表明,电子被外加磁场捕获约束在磁力线附近,低速离子与高速电子形成的双极扩散电场加速离子喷出;在相同流量情况下,磁感应强度0.02T时,离子返流严重,磁感应强度0.05~0.30T时,磁感应强度变化对速度影响较小;磁场位形对离子运动和推力器性能有较大影响,磁力线与轴线夹角较小时离子速度下降明显,夹角较大时离子返流严重。

二维电磁等离子体粒子云网格法并行程序的可扩展性分析

大规模并行处理的发展要求并行应用程序具有良好的可扩展性 .以二维电磁等离子体粒子云并行程序为例 ,描述了近优可扩展性分析的应用 .在已知小规模系统性能的基础上 ,通过近优可扩展性分析 ,可以得到更大规模的系统在多少台处理机上运行更为“合理”的信息 .

无网格法在金属成形塑性分析中的应用

比较了有限元法与无网格法在金属成形应用中的优缺点,分析描述了无网格法在金属弹塑性变形、金属体积成形、板料成形等金属成形加工方面的应用现状,并阐述了无网格法的不足、亟待继续深入解决的问题以及未来的展望。

离子推进器中离子束中和及推进过程的全粒子数值模拟

为优化离子推进器结构,对离子推进器中和过程中的离子–电子耦合及电中性等离子体形成过程的物理机制进行了研究。采用2维轴对称全粒子质点网格法对离子束中和过程和近场羽流进行了数值模拟。结果表明,在靠近推进器出口处的离子束中会形成1个较高的正电势,且该正电势会随着时间逐渐增大。推进器出口处的高电势与周围环境之间形成的势阱能够限制电子的逃逸并加速离子,最终使得2者的速度趋于一致,完成离子–电子的耦合过程,即离子束的中和过程。在以上过程中,沿着等离子体束推进方向的电子和离子的动能增加,电子的热能降低。

复合绝缘子表面电荷动态积聚过程的PIC/MCC模拟

局部放电是绝缘子表面电荷的主要来源。为了研究局部放电的复合绝缘子表面电荷的动态积聚过程,采用粒子网格法(PIC法)与Monte Carlo碰撞模型(MCC模型)相结合的方法(PIC/MCC法)跟踪了带电粒子运动轨迹,同时充分考虑了电子与气体分子之间的各种碰撞过程以及带电粒子空间分布对绝缘子电场的影响。计算结果表明:电子在电场作用下将运动到复合绝缘子阴极侧伞裙表面以及护套表面从而形成电荷积聚,伞裙表面电荷积聚量沿半径即径线方向先增加后减少,护套表面电荷积聚量则呈现出阴极侧较多的特点。比较计算结果与实验结果,其一致性较好,表明PIC/MCC法适用于模拟复合绝缘子表面电荷的动态积聚过程。

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1m,0.5m及1.0m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.

SF_6/N_2混合气体放电过程的PIC/MCC仿真模拟

为了研究SF_6/N_2混合气体中圆柱形绝缘子的放电过程,采用粒子网格法(PIC法)与蒙特卡罗碰撞模型(MCC模型)相结合的方法 (PIC/MCC法)仿真模拟了放电过程中带电粒子的运动轨迹,同时充分考虑了电子与SF_6分子及N_2分子的各种电离碰撞过程以及复合过程。仿真结果表明:放电过程中,电子主要与SF_6分子发生电离碰撞过程以及复合过程。放电过程初始阶段,空间电子数呈现出上下波动的规律,当t≥20 ns时,空间电子数将迅速减少直至完全复合。此外,在整个放电过程中,正离子分布范围始终大于负离子分布范围。PIC/MCC仿真模拟从纯微观角度展现了SF_6/N_2混合气体放电过程,对研究SF_6/N_2混合气体放电过程具有重要意义。

多尺度等离子体动力学数值模拟中最初的无方程投影积分技术

发展一种针对等离子体多尺度问题的"最初的无方程投影积分(p-EFPI)"方法并成功应用于离子声波的模拟.该方法包括时间推进和时间投影两部分.电子速度通过概率分布函数或累积分布函数投影外推,电子位置坐标则通过投影外推的电子电荷密度重新调出;与电子相比,假设粗糙的离子运动可以很好地描述宏观尺度等离子体的演化行为,通过追踪和投影外推每个离子轨道保持全部离子运动学效应.尝试和检验p-EFPI方法在模拟等离子体物理现象中的应用.以离子声波为范例,数值计算表明:在离子相空间出现离子捕获效应前,p-EFPI模拟能够很好地再现PIC的结果,在离子捕获发生后,p-EFPI模拟仍然可以抓住除了离子捕获特征之外的其它主要物理特征.

高功率微波三维全电磁PIC并行模拟

研制了一个三维全电磁粒子模拟并行程序,用于模拟具有复杂几何结构的高功率微波源器件中的电磁场和电子束相互作用随时间非线性演化过程.本文给出基于"块-网格片"的并行区域分解策略,以及建立在该基础上的并行时间积分算法.采用该并行程序计算一典型微波源器件,在上千台处理机上获得可扩展的并行性能,且模拟结果与国际同类型软件具有可比性.

离子液体推力器性能影响因素仿真研究

文章主要研究离子液体推力器发射阵列几何结构参数对推力器性能的影响。建立单个发射极粒子网格法仿真模型,模拟获得了单个发射极束流分布及推力、比冲等性能参数曲线;通过改变电极间距及引出极孔径获得了单个发射极平均推力和角向效率的变化曲线,分析了电极间距及引出极孔径对推力器性能的影响。研究表明:在离子被引出极拦截前,推力器角向效率与电极间距成正比,与引出极孔径成反比;在不考虑发射离子数量和比例改变情况下,推力器推力随电极间距的增加先增大后减小,一定范围内随引出极孔径的减小而增大,但过小的引出极孔径会造成严重的推力损失与栅极侵蚀。以上研究结果可为离子液体推力器的优化设计提供参考。

直流氩气辉光放电的PIC/MCC模拟分析

辉光放电在微电子工业中的应用越来越广泛。为了研究直流辉光放电稳态等离子体的特性,采用粒子网格方法(PIC法)与Monte Carlo碰撞模型(MCC方法)相结合的方法(PIC/MCC方法)跟踪了带电粒子的运动过程,同时充分考虑了电子与中性粒子的弹性、电离碰撞,离子与中性粒子的弹性和电荷交换碰撞,模拟结果得到了直流辉光电离过程达到稳态后的电子离子的相空间分布,得到了放电过程中带电粒子的速度、能量的空间变化,同时对粒子进行统计平均,得到了空间中的电势和电场强度分布,模拟结果与实验和理论相符,对实验有一定的指导意义。

Chebyshev谱-Euler混合方法求解一类非线性Burgers方程

将Chebyshev谱方法与Euler方法相结合,对一类非线性Burgers方程进行数值求解,通过数值模拟将其与有限差分法和粒子无网格线混合格式MPS-MAFL方法进行了比较,结果表明这种方法对于求解非线性Burgers方程具有较好的效果.