数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射

研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的电子热发射.当超短激光脉冲与薄膜靶相互作用时,首先入射超短脉冲激光对吸收深度内的自由电子进行热激发,接下来热激发电子将能量传递到附近的晶格,再通过电子和晶格二体系的热传导,以及电子晶格间的热耦合,将能量传递到材料的内部.因此,电子在皮秒级甚至更短的时间内不能与晶格进行能量耦合,使电子温度超出晶格温度很多,电子热发射就变得非常明显了.用双温方程联合Richardson-Dushman方程的方法对飞秒脉冲激光照射金属靶的电子热发射进行了研究,结果发现电子热发射对飞     

高空核爆炸瞬发辐射电离效应的数值模拟

采用蒙特卡罗方法模拟了高空核爆炸瞬发辐射中子、γ射线、X射线电离大气的过程,给出了几种爆炸场景下瞬发辐射产生的附加电离电子密度空间分布.针对大气密度随高度非均匀连续变化的特性,采用质量距离抽样方法取代常用的步长抽样方法,无需根据大气密度随高度的变化进行分层处理,提高了计算效率.结果表明:对于不同的爆高,瞬发辐射电离分布存在显著的差异;随着爆高的增加,瞬发辐射附加电离区范围增大,但电子密度的峰值减小. 关键词： 高空核爆炸 瞬发辐射 大气电离 蒙特卡罗方法     

低温冷冻靶温度动态特性的数值模拟研究

惯性约束聚变点火成功的关键之一在于靶丸内形成均匀的氘氚冰层,靶丸周围的温度场对冰层质量有很大影响.首先通过实验靶系统实验验证了数值计算模型的可靠性,在此模型的基础上,对低温冷冻靶装置的热物理问题特别是温度动态特性问题展开了数值模拟,重点考察冷环温度波动时,温度传递衰减过程的规律以及各影响因素对于温度传递衰减过程的影响.结果显示:冷环温度一定时,填充气体压力降低、填充气体中氦气比例增大,靶丸表面温度均匀性提高;当冷环温度波动时,温度波动的周期减小、振幅减小、填充气体压力升高、填充气体中氦气比例降低有利于控制靶丸表面温度波动;冷环温度波动的周期适中、振幅减小、填充气体压力降低、填充气体中氦气比例提高有利于改善靶丸表面温度均匀性.研究结果对实验中冷冻靶合理配置各参数实现温度控制具有重要参考价值.     

棒-板电极直流负电晕放电特里切尔脉冲的微观过程分析

本文基于流体动力学理论改进出一种新的棒-板电极负电晕放电混合数值模型, 模型中加入了27种主要碰撞反应, 并考虑了光电离和二次电子发射过程. 对棒-板间距3.3 mm, 施加电压-5.0 kV情况下进行数值计算, 得到负电晕放电的特里切尔脉冲. 重点分析了单个特里切尔脉冲持续过程中5个关键时刻的微观特征量发展规律, 丰富并量化描述了特里切尔脉冲的微观过程, 主要结论如下: 随着放电时间的发展, 电场集中分布区域向阳极移动且幅值变小, 这对电子崩的发展非常不利. 大部分放电区域都是电中性的, 只有在阴极鞘和阳极鞘附近有带正电的等离子体特性, 带负电的离子云随着放电时间的发展缓慢向阳极发散式移动. 整个特里切尔脉冲持续过程中, 阴极鞘内电子密度几乎为0; 特里切尔脉冲前期, 阴极鞘附近电子密度迅速增加至最大值并保持基本不变; 随着放电时间的增加, 放电间隙内电子密度整体增加, 并且向阳极发展. 在特里切尔脉冲后期, 电子的产生主要来自于N₂和O₂的碰撞电离, 电子的消失则主要由N₂⁺的复合决定, O₄⁺和O₂^-分别是数量最多的正离子和负离子. 关键词： 负电晕 混合模型 特里切尔脉冲 微观特征量     

大气压非平衡等离子体甲烷干法重整零维数值模拟

大气压非平衡等离子体由于其独特的非平衡特性,可为甲烷和二氧化碳稳定温室气体分子活化和重整提供非热平衡和活化环境.本文采用了零维等离子体化学反应动力学模型,考虑了详细的CH4/CO2等离子体化学反应集,重点研究了反应气体CH4/CO2摩尔分数(5％—95％)对大气压非平衡等离子体甲烷干法重整制合成气和重要含氧化合物的影响...     

垂直入射电磁波在大气压非平衡等离子体层中的传播特性

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中,不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究。所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理。计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收。数值结果表明,对于电磁波的吸收来说,等离子体中具有二次分布的电子密度,其效果要高于线性分布10%左右;而对于反射来说,线性分布效率更高。功率反射系数随波长的增大而增大,功率吸收系数A也不是单调的,当电子密度不变时,A存在一个峰值,随着电磁波波长的增加而增加,达到最大值后,缓慢降低。     

Numerical simulation of anode heat transfer of nitrogen arc utilizing two-temperature chemical non-equilibrium model

A detailed understanding of anode heat transfer is important for the optimization of arc processing technology. In this paper, a two-temperature chemical non-equilibrium model considering the collisionless space charge sheath is developed to investigate the anode heat transfer of nitrogen free-burning arc. The temperature, total heat flux and different heat flux components are analyzed in detail under different arc currents and anode materials. It is found that the arc current can affect the parameter distributions of anode region by changing plasma characteristics in arc column. As the arc current increases from 100 A to 200 A, the total anode heat flux increases, however, the maximum electron condensation heat flux decreases due to the arc expansion. The anode materials have a significant effect on the temperature and heat flux distributions in the anode region. The total heat flux on thoriated tungsten anode is lower than that on copper anode, while the maximum temperature is higher. The power transferred to thoriated tungsten anode, ranked in descending order, is heat flux from heavy-species, electron condensation heat, heat flux from electrons and ion recombination heat. However, the electron condensation heat makes the largest contribution for power transferred to copper anode.     

单层有机器件的电子传输特性的数值模拟

在漂移扩散模型的基础上建立了单层有机器件的模型,包括了电荷注入、传输、空间电荷效应和陷阱的影响.电荷注入考虑了热电子发射电流和隧道电流.模拟得到的结果和文献中报道的实验测试数据一致.模拟研究了各个因素对器件J-V曲线的影响,电流和器件长度成反比,电流随着空穴注入势垒的减小而增加.电子注入势垒从1.7 eV减少到0.5 eV时,电流随着电子注入势垒的减小而减小,这主要是因为有机材料中电子迁移率太小,电子注入电流的增加可以忽略,而电子注入势垒的减小使内建势增加,在同样的电压下,场强 关键词： 有机器件 传输特性 数值模拟     

COIL亚声速段横向喷流混合流场数值分析

COIL是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学相互耦合的复杂过程。作为高总压COIL系统研究的第一步,利用三维CFD技术对传统的COIL亚声速段横向射流混合过程进行了数值分析,讨论了包括压力梯度驱动项的分子扩散机制,得到了横向射流的较精细的结构,如马蹄形射流界面、逆旋涡对以及射流剪切层。结果表明,压力梯度驱动项对重、轻组分的扩散作用相反,重组分沿压力梯度正向扩散,轻组分逆压力梯度方向扩散。在射流穿透不足的情况下,仍然在喷管出口得到了约为0.01 cm-1的小信号增益系数。     

椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究

为探讨在强制搅拌下同属性颗粒由分层到分布均匀状态的运动特征及规律, 本研究利用三维离散单元法模拟不同转速下U形罐体内等粒径椭球颗粒的混合过程. 从单颗粒随机运动轨迹、宏观颗粒流运动矢量图的角度分析颗粒混合过程的宏观混合规律及局部混合特征, 定量描述混合度与搅拌叶片旋转圈数的数学关系. 结果表明, 强制搅拌下同属性分层颗粒的混合是在对流混合及四个局部混合共同作用下实现的; 分层颗粒的混合度与搅拌轴的转速无关, 而与搅拌轴旋转圈数直接相关; 混合度与圈数的关系符合指数增长模型. 研究结果可为散体物料增混行业的设备改进及操作控制提供依据和参考.     

中国 HCCB-TBM 氚增殖球床热工水力学特性数值模拟

基于 CFD 软件平台,针对中国 HCCB-TBM 氚增殖区球床热工水力学特性开展 3 维数值模拟研究。 依据 ITER 实际运行工况给出吹氚氦气和结构冷却剂氦气在硅酸锂球床内的流动与传热特性,获取球床内详细的 速度分布、温度分布和压力降。计算结果表明：圆球的排列方式影响球床内氦气流场和球床的最高温度;ITER 运行工况下 HCCB-TBM 增殖区硅酸锂小球及其壁面的最高温度不会超过设计温度。研究结果为增殖区热工水力 学方案的设计验证和下一步开展实验提供参考。     

大气气溶胶物理光学特性研究进展

大气气溶胶粒子作为地气系统的重要组成成分之一,在紫外、可见到红外很宽的波段内对辐射传输产生影响,一方面通过对电磁波的散射和吸收作用,导致光波的能量衰减;另一方面则把吸收的能量转化为其本身的热能,起到加热大气的作用.这一过程在直接和间接的辐射气候效应的模拟、激光大气传输、高分辨率光谱研究、地基和空基遥感、大气辐射订正、环境监测技术、目标探测和识别、陆上交通和航空航海都有着重要作用.详细阐述了大气气溶胶物理光学特性近年来的研究进展,为气溶胶科学后续研究工作的更好开展提供参考. 关键词： 大气光学 大气气溶胶 物理光学特性 研究进展     

COIL亚声速段横向喷流混合流场数值分析

 COIL是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学相互耦合的复杂过程。作为高总压COIL系统研究的第一步,利用三维CFD技术对传统的COIL亚声速段横向射流混合过程进行了数值分析,讨论了包括压力梯度驱动项的分子扩散机制,得到了横向射流的较精细的结构,如马蹄形射流界面、逆旋涡对以及射流剪切层。结果表明,压力梯度驱动项对重、轻组分的扩散作用相反,重组分沿压力梯度正向扩散,轻组分逆压力梯度方向扩散。在射流穿透不足的情况下,仍然在喷管出口得到了约为0.01 cm^-1的小信号增益系数。     

采用不同辐射换热模型对液氦传输管线的数值研究

低温传输管线是大型低温制冷设备中的关键部件之一,采用高真空多层绝热方式减少低温传输管线的漏热。基于Fluent计算平台,分别采用DTRM模型、P1模型、ROSSELAND模型、DO模型、S2S模型对真空环境下的液氦传输管线进行了数值模拟。对比解析计算解,确定了适合液氦低温管真空环境下辐射换热的计算模型,并利用S2S模型对低温传输管线的整体结构进行了模拟。模拟分析表明:S2S模型计算得到的管壁面辐射和温度场与解析解较为接近,更适合真空环境下的壁面辐射换热计算;支撑漏热为主要漏热,管壁面间辐射换热占总漏热量比例较小,整体漏热小于1W/m,满足设计需求。     

Numerical simulation and experimental validation of a direct current air corona discharge under atmospheric pressure

Air corona discharge is one of the critical problems associated with high-voltage equipment. Investigating the corona mechanism plays a key role in enhancing the electrical insulation performance. An improved self-consistent multi-component two-dimensional plasma hybrid model is presented for the simulation of a direct current atmospheric pressure corona discharge in air. The model is based on plasma hydrodynamic and chemical models, and includes 12 species and 26 reactions. In addition, the photoionization effect is introduced into the model. The simulation on a bar-plate electrode configuration with an inter-electrode gap of 5.0 mm is carried out. The discharge voltage-current characteristics and the current density distribution predicted by the hybrid model agree with the experimental measurements. In addition, the dynamics of volume charged species generation, discharge current waveform, current density distribution at an electrode, charge density, electron temperature, and electric field variations are investigated in detail based on the model. The results indicate that the model can contribute valuable insights into the physics of an air plasma discharge.     

YBCO线圈在低温下的温度仿真分析

近几年,高温超导线材的制造技术已日趋成熟。作为第二代高温超导带材的代表,YBCO在低温下具有的优点使其在超导磁体领域的应用越来越突出。但是在高温超导磁体的运行中会因为受到扰动而失超。为了探讨这个问题,模拟了一个磁体在低温下(20K左右)有加热点扰动时的稳定性情况,即对YBCO线圈在低温下的工作情况进行了模拟仿真。文中根据实验设计的YBCO单饼线圈参数,利用热传导方程和基本电路方程,采用有限元计算方法,模拟出线圈内部的温度分布。分析仿真结果可以为后续实验设计提供参考。     

光学性质对超快激光辐照下铜膜热响应的影响

在超快激光照射过程中,金属靶材的光学性质是动态变化的。采用双温模型与分子动力学结合法,考虑动态和常数光学性质两种情况,对不同脉宽的超快激光照射下铜薄膜的热响应进行了模拟研究。其中,常数光学性质包括由激光沉积能量相等计算得到的等效平均反射率和室温下的吸收系数。结果表明:两种情况下的电子温度和晶格温度均差别较小,尤其是脉宽远小于电子-晶格弛豫时间的飞秒激光; 而当激光脉宽相当于或大于电子-晶格弛豫时间时,如皮秒激光,光学性质的动态变化对材料的熔化和重凝的影响则比较明显。     

电子辐照聚合物带电特性多参数共同作用的数值模拟

电子辐照聚合物样品的带电特性是扫描电子显微镜成像、电子束探针微分析以及空间器件辐照效应等领域的一个重要研究课题. 通过建立基于蒙特卡罗方法的电子散射和时域有限差分法的电子输运的数值模型, 并采用高效的多线程并行计算, 模拟了电子非透射辐照聚合物样品的带电特性, 得到了带电稳态下的样品底部泄漏电流密度、表面负电位以及样品总电荷密度等带电特征量受入射电子能量、入射电流密度、样品材料的电子迁移率、样品厚度等相关参数共同作用的影响. 结果表明, 一个参数的变化使表面负电位增强时, 其他参数对负电位的影响将增强. 样品的带电稳态特征量在同一个电流平衡的模式下受参数影响的变化是单调的. 当电流平衡模式发生变化时, 如在入射电子能量较低的条件下, 样品内部的总电荷量会随着样品厚度的增大而先增加后减小, 出现局部极大值. 样品底部的泄漏电流密度随着入射电流密度的增大而近线性成比例地增大. 研究结果对于揭示电子辐照聚合物的带电规律及微观机理、预测不同条件下的样品带电状态具有重要科学意义.     

大气压空气针-水结构脉冲气-液放电特性研究

利用纳秒脉冲电源激励大气压空气中针-水结构气液放电,研究了不同脉冲参数下的放电特性、等离子体特性和活化水中活性粒子浓度的变化规律。结果表明,在一个脉冲周期内放电分为3个阶段,其中发生在脉冲持续时间内和下降沿的两次放电较强,上升沿的放电较弱。当脉冲电压增大时,放电电流、平均功率、发光强度和发射光谱强度均逐渐增大;当频率增大时,放电电流几乎不变,但是功率显著增大,放电发光强度和发射光谱强度均增大。电压上升沿时间的增大则会减弱放电强度,相应的放电发光强度和发射光谱强度均减弱。而电压下降沿的增大则会增强放电,发光强度和发射光谱强度增大。当脉冲电压、频率和下降沿时间增大,H2O2,${\rm{NO}}_2^ - $和${\rm{NO}}_3^ - $浓度逐渐增大;而电压上升沿时间增大会导致3种活性粒子浓度逐渐降低。     

相变蓄热体的热工特性数值模拟

为了深入研究蓄热式换热器的蓄放能效果,提出了采用具有相变材料的蓄热体强化蓄放热,通过gambit软件建立了三维蓄热体相变传热过程的物理模型和数学模型,利用fluent软件模拟了具有相变材料的蓄热体与具有变截面管强化的蓄热体传热,得到了两者蓄放热过程温度场分布。根据模拟结果分析了相变材料及缩放结构对蓄热体蓄放热效果的影响,为优化设计蓄热式换热器提供了理论参考。