用于电磁驱动真空-等离子体系统数值模拟的弛豫磁流体力学模型

提出了一个弛豫磁流体力学模型,特别适合电磁驱动真空-等离子体系统的数值模拟。该模型和Seyler采用的弛豫模型有相似之处,即采用全电磁模型,不同的是采用忽略电子惯性项的广义欧姆定律直接作为本构来封闭麦克斯韦方程,减少了独立变量,是适合此类问题的最简模型。分析了磁流体力学模型电磁部分的色散关系,从而论证了其在真空区退化为电磁传播,在等离子体物质区退化为磁扩散近似,并且相速和群速是有上界的。改进了Seyler采用的时间离散方式,从而将时间精度从1阶提高到3阶,时间步长不受刚性源项约束,只受系统最大的特征速度确定的柯朗-弗里德里奇-列维(CFL)条件约束,便于显式计算和大规模并行化。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关,开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验,得到的负载电流上升时间为54-76 ns,最高开关电压为1.38 MV,最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型,初步数值模拟结果表明,该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

SF6气体间隙开关激光触发延迟的数值模拟

建立了激光触发SF6气体间隙开关的0维数值模型,数值计算结果与国内外实验进行了比较,计算的延迟时间与实验结果符合较好。在充气压力一定时,延迟时间随激光能量、工作电压比的增加而减小,并且延迟时间-工作电压比的曲线斜率也是随激光能量和工作电压比的增加而减小的。当激光能量一定时,延迟时间随充气压力的减小和电压的增加而减小, 并且不同充气压力的延迟时间随电压变化的曲线斜率是随电压的增加而减小的。但是,等电压压力比值情况下,延迟时间是随充气压力的增加而减小的。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

C型固体电枢3维有限元电磁发射计算

对轨道型固体电枢电磁发射的电磁过程进行了研究,建立了基于麦克斯韦准静态A-Φ场方程的3维静枢电磁发射数值模型。利用ANSYS有限元电磁模块结合发射装置的实测参数,对电枢在静枢模型下的电磁发射进行了模拟。计算结果表明:馈入相同电流加载波形时,流经C型电枢的电流密度、磁通量以及电磁发射过程中所受电磁力,在不同时刻的内部分布、峰值和大小均与文献计算结果相符。     

完全稳定化MRT的可能性及应用于聚变的潜力

提出采用方向时变(旋转)的驱动磁场(交替Θ-Z箍缩构型)或者多级嵌套Θ-Z箍缩构型来抑制动态Z箍缩的MRT不稳定性的概念,介绍了对交替/嵌套Θ-Z箍缩MRT不稳定性的最新研究进展,结果表明适当优化的交替/嵌套Θ-Z箍缩的MRT不稳定性明显远低于标准Θ箍缩或者Z箍缩的,一定厚度时甚至被完全致稳,这表明交替/嵌套Θ-Z箍缩构型具有潜力应用于Θ-Z箍缩套筒惯性聚变。     

一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验

在调研跟踪国外磁化套筒惯性聚变(MagLIF)研究领域最新进展的基础上,以一维磁流体力学方程为基础,结合氘氚燃料能量交换方程,建立一维磁化套筒惯性聚变物理模型,并使用Fortran语言编写完成一维数值模拟程序MagLIF-1D;通过与圣地亚实验室LASNEX,HYDRA等程序计算结果对比展示,完成程序校验工作,讨论后认为程序计算结果存在差异的主要原因可能来自不同程序对于材料状态方程库的选择;通过计算,MagLIF-1D程序可以直接获得内爆速度、燃料压力、燃料密度、聚变产额等关键物理量,这为后续更好地开展磁化套筒惯性聚变实验设计提供了有力工具。     

微放电等离子体多负辉区结构融合过程数值模拟研究

高气压下的微型电热推进器(MPT)中的放电等离子体存在多负辉区结构,其负辉区有融合趋势。对矩形微放电等离子体推进器(RMPT)的负辉区融合过程进行了二维模拟分析,在方法上采用了非平衡态的自洽流体模型,并考虑了离子电流加热和三体碰撞过程。结果显示:矩形微放电等离子体推进器(RMPT)在低电流条件下存在两个稳定的负辉区,当超过某一电流阈值条件后,两个负辉区会在腔体中心重合。分析了这一过程的成因,认为其融合过程本质上是空心阴极的导通过程,其融合与否与鞘层电压有关。     

磁化套筒惯性聚变中轴向磁场演化特征与Nernst效应影响

轴向磁场是磁化套筒惯性聚变(magnetized liner inertial fusion,MagLIF)有别于其他惯性约束聚变构型的主要标志之一.本文在建立集成化物理模型并编写一维模拟程序的基础上,通过对ZR装置驱动能力下典型MagLIF负载参数的模拟,系统研究并获得MagLIF各个阶段轴向磁场演化与分布特征,发现...     

冲功率装置汇流区由电子发射导致的电流损失机制

面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置),以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托,围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域,研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D,简化并建立DPHC结构的物理和几何模型,利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件,计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程,获得输出端电流损失随时间变化曲线,经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。