超强激光等离子体中J×B 加热的二维粒子模拟

 用等离子体粒子模拟方法对超强激光等离子体相互作用中的J×B加热机制进行了二维模拟, 简要分析了其加热机制。粒子模拟结果清晰地反映了电子的加热过程和加热特征。     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

柱形单极等离子体天线模型的多物理场研究（英文）

基于柱形单极表面波的等离子体天线结构的多物理场情况考虑了天线内部粒子的反应和运动等因素,通过ComsolMultiphysics软件,模拟感应耦合场、粒子运动场等,得到了天线内部的粒子分布、电子能量分布等以及等离子体天线的相关参数,同时分析各物理场之间的关系对等离子体天线的影响,发现感应耦合等离子体场在天线工作中起主要作用,有助于等离子体天线的参数重构控制.     

低气压感性耦合等离子体源模拟研究进展

感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点,因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中.为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用,数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一.针对具体问题,可以选择不同的模拟方法,如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等.其中,整体模型计算效率最高,常被用于模拟复杂的反应性气体放电.但整体模型无法给出各物理量的空间分布,因此二维及三维的流体力学模型,也得到了人们的广泛关注.在低气压等极端的放电条件下,由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布,则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型,来精确地描述等离子体内部的动理学行为.此外,通过耦合偏压鞘层模型,还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响.对于等离子体中的非局域及非热平衡现象,则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述.最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.     

激光等离子体相互作用的2(1/2)维粒子模拟程序

研制了2(1/2)维粒子模拟程序PLASIM(Plasma Simulator),介绍经过验证的该粒子模拟程序的算法,其特点是自含碰撞,即β粒子云模型的选取使得该程序无需额外的计算开销就能在程序中自洽地含有碰撞,使计算结果更加符合实际情况.另外电子和离子的运动都是相对论的,适于模拟超强激光与等离子体的相互作用.     

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采用二维轴对称双温度化学非平衡(2T-NCE)模型,模拟了带有水冷约束管的大气压直流电弧氩等离子体发生器.得出了不同工作参数下等离子体中电子温度、重粒子温度的变化关系,表明直流电弧等离子体有很强的非平衡特性,且变化规律十分明显.     

圆柱形阳极层霍尔等离子体加速器的质点网格方法模拟

对圆柱形阳极层霍尔加速器内的放电等离子体运用二维质点网格方法（particle in cell）进行数值模拟,用蒙特卡罗碰撞方法处理带电粒子与中性粒子之间的碰撞. 得到了放电通道内离子与电子的分布以及离子流的运动,并且对出口外侧的能量分布进行了统计. 结果发现圆柱形阳极层等离子体加速器的磁场对电子有明显的约束作用,电子集中于阳极附近很小的区域内. 由于电磁场的特殊分布,离子流呈现出双峰式的分布. 离子能量范围从放电电压的20%到接近放电电压,平均能量在放电电压的40%—50%之间. 关键词： 质点网格方法 蒙特卡罗碰撞 数值模拟 阳极层霍尔等离子体加速器     

等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究

 利用自行研制的2-1/2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中,等离子体呈现非电中性,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极,最终形成真空鞘层。     

强流电子束碰撞电离背景气体研究

利用数值计算与粒子模拟两种方法,结合实际的实验数据,对高功率微波二极管中相对论电子束与背景气体相互作用碰撞产生的等离子体密度进行了研究.研究结果表明：碰撞产生的等离子体密度数值计算结果与粒子模拟结果基本一致,背景气压在0.01 Pa—0.05 Pa时,碰撞产生的等离子体密度在4—12×10⁹cm^-3,即便在考虑电子离子复合的情况下,数值计算结果与粒子模拟结果依然符合得很好.另外,粒子模拟结果表明：随着气压的增加,等离子体密度呈现先增大再减小然后又逐渐增大的过程, 关键词： 相对论电子束 等离子体 数值计算 粒子模拟     

颗粒圆孔射流碰撞并行直接数值模拟算法研究

本文对空间模式发展的颗粒圆孔射流碰撞进行了并行直接数值模拟算法研究。气相采用可压缩的N-S方程直接求解。颗粒相采用Lagrangian方法跟踪实际的颗粒运动。利用并行求解算法,实现了颗粒穿越边界面的模拟以及高效颗粒碰撞算法。考虑了颗粒和流体的双相耦合以及颗粒之间的碰撞。在本文的计算条件下,颗粒的直径远小于网格的间距,平均的Kolmogorov尺度和网格的间距在一个量级。气相和颗粒相的应力与实验的对比研究表明,本文的颗粒并行程序是可信的。     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

Describing Hydrodynamic Particle Removal from Surfaces Using the Particle Reynolds Number

The fundamental processes related to the removal of fine particles from surfaces in a hydrodynamic flow field are not adequately understood. A critical particle Reynolds number approach is proposed to assess these mechanisms for fine particles when surface roughness is small compared to particle diameter. At and above the critical particle Reynolds number, particle removal occurs, while below the critical value, particles remain attached to a surface. The system under consideration consists of glass particles adhering to a glass surface in laminar channel flow. Our results indicate rolling is the removal mechanism, which is in agreement with the literature. Theoretical results of the critical particle Reynolds number model for rolling removal are in general agreement with experimental data when particle size distribution, particle and surface roughness, and system Hamaker constant are taken into account.     

Study of compound particle production in ~（84）Kr-emulsion interactions at 1.7 A GeV

The characteristics of compound particle multiplicity distribution and multiplicity correlations between the compound particle and the grey particle, black particle, shower particle and heavily ionized track particle are investigated in this paper. It is found that the average multiplicities of the grey particle, black particle, shower particle and heavily ionized track particle increase with an increase in the number of compound particles, which can be explained by the impact geometrical model. The compound multiplicity distribution is observed to obey a Koba-Nielson-Olesen (KNO) type of scaling law.     

Study of compound particle production in 84Kr-emulsion interactions at 1.7 A GeV

The characteristics of compound particle multiplicity distribution and multiplicity correlations between the compound particle and the grey particle, black particle, shower particle and heavily ionized track particle are investigated in this paper. It is found that the average multiplicities of the grey particle, black particle, shower particle and heavily ionized track particle increase with an increase in the number of compound particles, which can be explained by the impact geometrical model. The compound multiplicity distribution is observed to obey a Koba-Nielson-Olesen (KNO) type of scaling law.     

格子玻尔兹曼方法模拟弯流道中粒子的惯性迁移行为

本文发展了一个能够模拟微流场环境下粒子惯性迁移行为的三维耦合模型.该模型采用基于动理论的格子玻尔兹曼方法(LBM)描述流体流动,采用牛顿动力学模型描述粒子的平动和转动,采用基于LBM反弹格式的运动边界法实现流体与粒子模型的耦合.模拟了重力作用下粒子的沉降过程和Couette流条件下粒子的转动过程,通过将模拟结果与文献中的基准解进行对比定量验证了模型的可靠性.模拟了不同大小的球形粒子在环形流道中的迁移,成功复现了经典的流道截面二次流形成过程,分析了粒径大小对粒子在流道中平衡位置的影响机理.结果表明,粒子在弯流道中的平衡位置与粒径大小密切相关,小半径粒子的平衡位置靠近流道外侧而大半径粒子则靠近流道内侧.通过实验对模拟结果进行了定性验证.本模型为深入研究微流场环境下粒子的运动特性以及开发微流控粒子分选器件提供了参考依据.     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

镁颗粒群非稳态着火过程数值模拟

建立了镁颗粒群着火的一维非稳态有限影响体模型, 数值模拟颗粒群中镁颗粒的着火过程. 研究表明, 当镁颗粒表面反应加剧之后,颗粒相温度急剧上升, 迅速达到着火, 而其周围气相的温升速率却远小于颗粒的温升速率; 在着火过程中气相温度只在颗粒表面附近升高比较明显, 整体温度升高不大. 分析了颗粒群内部参数和环境参数对镁颗粒群着火的影响. 随颗粒浓度的增加, 颗 粒群变得易于着火, 其着火时间变短, 但颗粒浓度增大到一定程度后, 继续增大该值将对颗粒群的着火起消极作用. 环境压力对颗粒群着火的影响比较小,在1-5 atm范围内颗粒群的着火性能基本不变. 气相中氧气浓度对颗粒群的着火性能影响也不显著, 但当氧气浓度过小时, 对着火过程的影响将大大增强.颗粒粒径、气相/颗粒相初温、辐射源温度对颗粒 群着火的影响巨大,小粒径、高温度促使颗粒群快速着火.数值模拟与文献中试验 结果的变化趋势相一致.     

A concept of multi-scale modeling for radiative heat transfer in particle polydispersions

To take the local thermal nonequilibrium between particles and the nonuniformity of temperature within a single particle into account, a concept of multi-scale modeling of radiative transfer is presented. Particles are considered to interact with thermal radiation on both micro-scale of a single particle and meso-scale of a particle cell to produce radiative source term at the local or meso-scale level of a particle cell for the modeling of radiative transfer at macro-scale of overall particle system. The accurate modeling of radiative transfer in particle polydispersions are related to the modeling of radiative transfer in following three different scales: macro-scale of the overall particle system, meso-scale of particle cell, and micro-scale of single particle. Two examples are taken to show the necessity of multi-scale modeling for radiative transfer in particle polydispersions. The results show that omitting local thermal nonequilibrium and nonuniformity will result in errors for the solution of radiative heat transfer to some extent, and the multi-scale modeling is necessary for the radiative transfer in particle system with large local thermal nonequilibrium and nonuniformity.     

湍流边界层中重粒子弥散的随机模型

在重粒子轨道模型的基础上,引入了Saffman力,并考虑了粒子-固壁碰撞和粒子-粒子碰撞的影响,建立了重粒子运动方程,耦合湍流脉动的随机方程,发展了重粒子弥散的随机模型,并在湍流边界层中考察该模型.将数值计算结果与实验结果进行比较,同时考察了Saffman力和粒子碰撞对计算结果的影响.