非平衡感应耦合等离子体流场与电磁场作用机理的数值模拟

以航天领域中研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)风洞为研究对象,通过流场-电磁场-化学场-热力场-湍流场多场耦合求解研究ICP风洞流场与电磁场的分布特性及其相互作用机理.数值模拟中,基于热化学非平衡等离子体磁流体动力学模型准确模拟了空气ICP的高频放电、焦耳加热、能量转化、粒子内能交换等过程,通过多物理场耦合计算模拟得到了100 kW级ICP风洞内空气等离子体的电子温度、粒子数密度、洛伦兹力、焦耳加热率、速度、压强、电场强度的分布规律.研究结果表明:在感应线圈区靠近等离子体炬壁附近,等离子体流动处于热力学非平衡状态;洛伦兹力对感应线圈区空气粒子的动量传递和电子热运动起着控制作用.     

三维数值模拟射频热等离子体的物理场分布

射频热等离子体的产生包含了丰富、复杂的物理场分布,正确认识这些物理场分布对射频热等离子体在工业领域的应用有指导作用.本文建立了三维射频热等离子体的热-电-磁-流动强耦合数学物理模型,考虑了感应线圈的真实螺线管结构,开发了用于计算三维射频热等离子体复杂电磁场的C++程序代码,计算了射频热等离子体重要物理场,如温度场、流场和电磁场的分布情况.结果表明,射频热等离子体各物理场分布具有三维非对称效应,感应线圈结构对温度场和流场的空间分布有重要影响.研究结果对优化、控制射频热等离子体的实际应用过程有重要的指导意义.     

氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟

为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据,基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟,得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明：等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大,而随着工作压力的增大而减小;同时,等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小,而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导。     

氩气感应耦合等离子体速度与温度数值模拟

为了获得用于研究再入飞行器热防护系统的感应耦合等离子体风洞流场数据,基于流场、电磁场和化学场的多场耦合建立了非平衡态感应耦合等离子体数值模型。利用该模型对不同入口质量流率和不同工作压力下的感应耦合等离子体进行了数值模拟,得到了相应工作参数下感应耦合等离子体温度与速度的分布特性。计算结果表明:等离子体中心线上的速度随着入口质量流率的增大而增大,而随着工作压力的增大而减小;同时,等离子体中心线上的温度随着入口质量流率的增大而减小,而随着压力的增大先减小后增大。这些结果可为感应耦合等离子体风洞优化设计及其工业应用提供理论指导。     

多源感应耦合等离子体的产生及等离子体诊断

基于单组多匝线圈的小腔体感应耦合等离子体，研究了线圈配置与耦合效率等之间的关联，并将实验结果应用到多组并联螺旋天线感应耦合等离子体放电体系中.采用了改进的朗谬尔探针方法对单源和多源感应耦合等离子体的电参量分别进行了表征.结果表明，使用多螺旋天线并联方式可以产生低气压高密度的感应耦合等离子体放电，通过调整工艺参量，可以将等离子体密度和光刻胶的刻蚀均匀性控制在80％以上. 关键词： 多源感应耦合等离子体 朗谬尔探针 等离子体灰化     

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对感应耦合氩气热等离子体的速度分布特性以及各操作参数对等离子体速度分布的影响进行了细致的研究。研究结果表明,与直流电弧热等离子体相比,感应耦合热等离子体速度小,弧流集中,速度峰值出现在等离子体炬下游,在线圈段上游出现明显的回流现象。此外,送气流量、感应电流等操作参数对等离子体速度分布有明显影响。研究结果可为等离子体球化粉末颗粒及其他应用提供理论指导。     

基于COMSOL 的感应耦合等离子体炬多物理场研究

为了优化锂微粉等离子体球化的工艺,对感应耦合等离子体炬进行二维建模,将电磁场计算域扩展到等离子体放电区域之外的空气区域,利用COMSOL 软件进行多物理场模拟。得到了等离子体的电磁场、温度和速度分布,并对分布形成的物理机制进行分析。模拟发现等离子体区域线圈段存在上下两组对称的回流涡,线圈段中部靠近约束管处等离子体速度分布杂乱,有激烈的径向打壁现象,乱流预计会对约束管壁相应位置造成一条环状的破裂效果。基于模拟结果,提出在采用感应耦合等离子体球化锂微粉的工艺工程中,可以将注粉口下移,绕开上回流涡。     

大功率热平衡感应耦合等离子体数值模拟及实验研究

感应耦合等离子体发生器是"临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置"的核心部件之一,常用于模拟高焓高速等离子体鞘套环境,为了研究大功率射频中压下感应耦合等离子体发生器的放电特性,采用数值模拟和实验相结合的方法研究其内部的传热与流动特性.本文基于局域热力学平衡条件,通过湍流场-电磁场-温度场的多场耦合开展了功率为100—400 kW的大尺寸射频中压感应耦合等离子体的数值模拟,并通过光强与光谱实验验证.结果表明:大功率等离子体发生器中的电磁场分布类似于中小型功率等离子体发生器;放电能量耗散主要发生在感应线圈所在的区域;石英管内壁温度在线圈所在处比其他区域较高,等离子体呈环状高温结构;等离子体受温差效应与电磁泵效应影响使得入口处产生回流涡.同时开展相应条件下的放电实验发现氩气放电的轴向图像呈边缘高亮与中心暗的环状结构,并通过光谱诊断系统测量氩等离子体的发射光谱,得到发生器电子温度的空间分布, COMSOL仿真温度结果与放电图像光强、光谱测得电子温度较为符合,验证了采用热力学平衡态条件进行数值模拟结果的有效性.本文数值模拟的结果可用于感应耦合等离子体发生器的优化设计及耐温评估.     

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将等离子体作为磁流体,考虑其流体属性和电磁属性,介绍了利用FLUENT软件包并将其进行二次开发,解算电磁场方程、质量连续性方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程的数值模拟方法,得到了以磁矢势为表达形式的电磁场分布、温度分布和速度分布.数值模拟了粉末球化所用的感应耦合等离子体炬电磁场分布、温度分布、速度分布.分析了温度分布、速度分布产生的物理原因,为感应耦合等离子体炬球化粉末颗粒提供理论性指导.     

一种耦合外部电路的脉冲感应推力器磁流体力学数值仿真模型

为了深入研究脉冲感应推力器的工作原理,预测其推进性能,建立了一种耦合外部电路的磁流体力学模型,实现了对加速通道内等离子体二维流场结构演化过程及驱动电路放电过程的同步耦合求解.模拟计算所得美国MK-1推力器加速通道内的等离子体瞬态参数分布及推力器比冲、效率等性能参数均与实验数据一致;计算结果成功复现了推力器的工作物理图景.借助这一新模型,实现了对电路-等离子体双向耦合作用的定量分析,分析结果表明:耦合等离子体导致驱动电路等效电阻增大,电感减小;激励线圈与等离子体之间的互感随等离子体整体远离线圈表面而逐渐减小.     

外部磁场与氩气流对等离子体天线辐射性能影响研究

本文建立了等离子体天线的二维轴对称模型,利用有限元法分析研究了低气压条件下氩气流和外部磁场对等离子体天线辐射性能的影响.本文通过改变外部磁场强度和氩气流速等条件,引起等离子体天线内部电子密度等物理参量的空间分布变化,并分析讨论空间分布变化产生的原因及其对天线辐射性能的影响.研究结果表明通过控制外部磁场强度、氩气流的大小可在一定程度上改善等离子天线的辐射性能.     

平板型感应耦合等离子体源的线圈配置对功率耦合效率的影响

基于感应耦合等离子体的变压器模型，分析了感应耦合等离子体的功率耦合效率与线圈配置(几何尺寸、电学参量)及等离子体基本参量(等离子体电子密度、电子-中性粒子有效碰撞频率)之间的关系；然后，改变平板型线圈的匝数从而改变了线圈的几何尺寸、电学参量，并且测量出了不同的线圈所对应的功率耦合效率.实验结果表明，线圈的电感量是能否实现放电的决定性因素；而功率耦合效率则与感应线圈的Q值、放电参量(气压、功率)等密切相关，射频输入功率的增加、放电气压的上升都会导致感应耦合等离子体耦合效率的提高，这与感应耦合等离子体的变压器模型预测结果是符合的. 然而，变压器模型给出的提高线圈Q值可导致耦合效率增强的预测结果仅适用于同等电感量的线圈条件. 本文对于单线圈的感应耦合等离子体源的研究为线圈的优化设计甚至大面积的多线圈感应耦合等离子体源研制提供了理论依据. 关键词： 感应耦合等离子体 功率耦合效率 变压器模型     

HT-7托卡马克低杂波天线的涡流及电磁力分析

用有限元方法详细分析并计算了HT 7超导托卡马克等离子体实验装置上低杂波天线壁上的涡流分布、感应磁场位形和天线所受电磁力.针对难以求解的磁场耦合问题,采用了新的迭代算法.具体的分析方法和计算结果对于研究复杂电磁环境下金属板上的涡流及其所受电磁力的分布具有一定的借鉴价值.     

EAST低杂波天线耦合特性研究

采用数值模拟方法研究了EAST低杂波天线的耦合特性。基于二维线性耦合理论,计算了天线功率反射系数和方向性系数与等离子体参数的关系,分析了无源波导对天线耦合性能的影响,并给出了不同参数下天线的功率谱。结果表明,无源波导使天线的方向性略有下降,但减小了天线的功率反射系数,这有利于天线与等离子体的耦合。     

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采用数值模拟方法研究了EAST低杂波天线的耦合特性。基于二维线性耦合理论,计算了天线功率反射系数和方向性系数与等离子体参数的关系,分析了无源波导对天线耦合性能的影响,并给出了不同参数下天线的功率谱。结果表明,无源波导使天线的方向性略有下降,但减小了天线的功率反射系数,这有利于天线与等离子体的耦合。     

反场构形磁化等离子体的一种解析平衡模型

反场构形（FRC）预加热磁化等离子体是磁化靶聚变（MTF）中等离子体靶的主要形成方法之一。为了从物理机理及物理本质上更好地理解反场构形磁化等离子体的平衡状态,依据FRC等离子体的经典刚性转子（RR）模型,通过对平衡状态的解析求解,获得了等离子体各主要参数在平衡状态下的分布函数,并与标准二维磁流体力学（MHD）的数值模拟结果进行对比分析,在此基础上讨论了RR模型参数对平衡状态分布函数的影响。结果表明,在FRC等离子体分界线内部,RR解析模型可以较好地描述等离子体状态分布。     

托卡马克中ICRH天线的优化设计

采用等离子体平板模型和三维天线模型数值模拟了托卡马克中ICRH天线与等离子体的耦合过程, 模拟结果表明在其它实验条件相同的条件下,与反对称电流和馈线端长度短的天线相比,对称电流分布和馈线端长度长的发射天线可获得更有效的功率耦合。     

HL-2A装置偏滤器的脱靶等离子体实验

在HL-2A装置偏滤器靶板上采用嵌入式静电三探针阵列和偏滤器室内的电动扫描四探针组测量了同一极向截面的内外中性化板上和偏滤器室内的电子温度、密度、悬浮电位、空间电位、电场、电子压强及其分布,研究了偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性和脱靶等离子体运行模式下的等离子体行为,开展了偏滤器脱离靶板等离子体的实验研究。利用主真空室的快速往复扫描三台阶式六探针系统测量了主等离子体边缘和偏滤器室内的等离子体温度、密度、粒子通量和中性粒子密度等参数,研究了脱靶等离子体的形成过程、物理特性、控制方法,以及对主等离子体性能的影响。     

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.     

CF4气体ICP等离子体中的双温电子特性

使用朗谬尔探针方法研究了低压CF4气体感应耦合等离子体（ICP）的放电特性.结果表明 ，CF4等离子体的电子呈现双温分布：一类是密度低、能量高的快电子，另一类是密度高 、能量低的慢电子.快电子温度The、慢电子温度Tce以及它们的平均 电子温度Te随射频输入功率的增加而下降；而它们的密度nhe，nce和ne随功率的增加而上升.从电子与气体粒子碰撞能量平衡的角度解释了双温电子特性与射频输入功率之间的关系. 关键词： 感应耦合等离子体 CF4气体 朗谬尔探针 电子温度