真空电弧数值模拟仿真研究
发布时间：2021-01-09 20:39
从电弧镀膜到电推进系统,从汽车火花塞到核聚变装置,真空电弧在现代社会发展中扮演着重要的角色。然而真空电弧作为一种极端条件下发生的放电现象,不易从实验中观测其性质。为了克服这一难题,本文应用等离子体放电理论和数值模拟的方法,对真空电弧进行数值模拟仿真。近年来出现了对平行单元素电极进行数值模拟分析的方法,从而预测了特定装置的失效形式和使用寿命。然而随着电极结构和材料的发展,平行和单元素电极已不满足现代社会的需要。本课题通过前人的研究,进一步将真空电弧模拟推广到复杂边界、多元素粒子、三维的情况中。重点研究以上拓展功能中的模型构建和数值计算,并分析仿真结果总结出不同边界、电极元素构成对真空电弧现象的影响。为了实现上述功能,构建了真空电弧模拟框架。框架中使用的模拟方法为质点网格法附加直接蒙特卡洛方法,模拟流程中使用了有限差分法求解电磁场的泊松方程,并对复杂电极形状的边界电场求解提出有效的处理方案;充分考虑了粒子间的碰撞关系,应用了库仑碰撞和二元碰撞理论实现粒子碰撞过程;通过粒子发射方程建立了场致电子发射、热发射、二次电子发射和溅射等粒子发射模型,以及介绍了在粗糙表面发射区域的模型处理;介绍了真空...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同粒子发射模式
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-12-写作下列公式：Q(ti)=-Qcat(ti)+Qcat(ti-1)-Qinj(ti)(2-8)式中Q(ti)——ti时间下的电荷变化量（C）；Qinj(ti)——ti时间下的电荷发射量（C）。其中，电荷发射量是在阴极上ti时刻的电荷发射量，表示为：Qinj(ti)=-e(Ne-inj-Ne-removed-Ni+inj+Ni+removed)(2-9)式中e——电子电荷（e=1.60217733×10-19C）；Ne-inj——电子发射个数；Ne-removed——电子移除个数；Ni+inj——离子发射个数；Ni+removed——离子移除个数。使用这种方法处理电流比直接统计每个时间步穿过电极表面的电荷相比，具有更平滑的电流信号。如果外电路中不存在间隙电容或者间隙电容很小的情况下，这种处理方式则十分重要。至此得到了某个时刻的间隙电流的大小和方向。通过电流的大小计算反馈电压，并对电极电压产生压降。对于不同的外电路，由于可能存在电阻、电感、电容的不同组合形式，对于相同的间隙电流会得到不同的反馈电压。本文举例平行板电极情况下的设备工作情形，此时外电路模型的构建应该是固定直流电压源、电路上串联电阻、并联一个电容。其中并联电容的原因是因为电极的尺寸对比电弧发生区域过于庞大，而且未发生电弧的区域也连接在了电路之上，那么此部分可以简化为一个并联在设备电路上的电容。如图2-2所示。a)大面积平行电极简化电路b)大面积平行电极等效电路图2-2电极等效电容的产生此类回路可以通过下式进行表示：
第2章真空电弧的物理性质及数值模拟方法-13-Vgap(t)=V0+1Cgap∫Icirc(t)-Igap(t)dtt0(2-10)式中Vgap——间隙电压（V）；V0——初始电极间的电势差等于零时刻回路电压V0=U(t0)（V）；Cgap——间隙电容（F）；Igap——电极间隙电流（A）；Icirc——回路电流Icirc=U-VgapR（A）。假定阴极电压为0而阳极电势为φA，并对公式（2-9）进行差分简化为：{φA(ti)=t(Icirc(ti-1)-Igap(ti))Cgap+φA(ti-1)φC=0(2-11)式中φA——阳极电势（V）；φC——阴极电势（V）。最后得到回路电流：Icirc(ti)=U-φA(ti)R(2-12)如果有特殊的应用场景，可以单独构建外电路模型并整合到程序当中。2.3PIC-DSMC数值模拟方法传统的PIC方法流程如图2-3所示。图2-3PIC模拟循环本文着重介绍一下二维轴对称坐标系下的PIC-DSMC方法。由于不同物理参数之间的量纲系数不同，在进行数值模拟之前需要作无量纲化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]第二十讲 真空离子镀膜[J]. 张以忱. 真空. 2019(06)
[2]中频下圆周曲面触头真空电弧特性研究[J]. 佟子昂,武建文,金巍,孙航. 真空电子技术. 2019(05)
[3]基于二维PIC-DSMC的微间隙气体放电等离子体演化过程研究[J]. 徐翱,尚绍环,金大志,谈效华. 电子器件. 2016(05)
博士论文
[1]高性能多物理场数值算法研究及其应用[D]. 游检卫.东南大学 2016
本文编号：2967359
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同粒子发射模式
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-12-写作下列公式：Q(ti)=-Qcat(ti)+Qcat(ti-1)-Qinj(ti)(2-8)式中Q(ti)——ti时间下的电荷变化量（C）；Qinj(ti)——ti时间下的电荷发射量（C）。其中，电荷发射量是在阴极上ti时刻的电荷发射量，表示为：Qinj(ti)=-e(Ne-inj-Ne-removed-Ni+inj+Ni+removed)(2-9)式中e——电子电荷（e=1.60217733×10-19C）；Ne-inj——电子发射个数；Ne-removed——电子移除个数；Ni+inj——离子发射个数；Ni+removed——离子移除个数。使用这种方法处理电流比直接统计每个时间步穿过电极表面的电荷相比，具有更平滑的电流信号。如果外电路中不存在间隙电容或者间隙电容很小的情况下，这种处理方式则十分重要。至此得到了某个时刻的间隙电流的大小和方向。通过电流的大小计算反馈电压，并对电极电压产生压降。对于不同的外电路，由于可能存在电阻、电感、电容的不同组合形式，对于相同的间隙电流会得到不同的反馈电压。本文举例平行板电极情况下的设备工作情形，此时外电路模型的构建应该是固定直流电压源、电路上串联电阻、并联一个电容。其中并联电容的原因是因为电极的尺寸对比电弧发生区域过于庞大，而且未发生电弧的区域也连接在了电路之上，那么此部分可以简化为一个并联在设备电路上的电容。如图2-2所示。a)大面积平行电极简化电路b)大面积平行电极等效电路图2-2电极等效电容的产生此类回路可以通过下式进行表示：
第2章真空电弧的物理性质及数值模拟方法-13-Vgap(t)=V0+1Cgap∫Icirc(t)-Igap(t)dtt0(2-10)式中Vgap——间隙电压（V）；V0——初始电极间的电势差等于零时刻回路电压V0=U(t0)（V）；Cgap——间隙电容（F）；Igap——电极间隙电流（A）；Icirc——回路电流Icirc=U-VgapR（A）。假定阴极电压为0而阳极电势为φA，并对公式（2-9）进行差分简化为：{φA(ti)=t(Icirc(ti-1)-Igap(ti))Cgap+φA(ti-1)φC=0(2-11)式中φA——阳极电势（V）；φC——阴极电势（V）。最后得到回路电流：Icirc(ti)=U-φA(ti)R(2-12)如果有特殊的应用场景，可以单独构建外电路模型并整合到程序当中。2.3PIC-DSMC数值模拟方法传统的PIC方法流程如图2-3所示。图2-3PIC模拟循环本文着重介绍一下二维轴对称坐标系下的PIC-DSMC方法。由于不同物理参数之间的量纲系数不同，在进行数值模拟之前需要作无量纲化。
【参考文献】：
期刊论文
[1]第二十讲 真空离子镀膜[J]. 张以忱. 真空. 2019(06)
[2]中频下圆周曲面触头真空电弧特性研究[J]. 佟子昂,武建文,金巍,孙航. 真空电子技术. 2019(05)
[3]基于二维PIC-DSMC的微间隙气体放电等离子体演化过程研究[J]. 徐翱,尚绍环,金大志,谈效华. 电子器件. 2016(05)
博士论文
[1]高性能多物理场数值算法研究及其应用[D]. 游检卫.东南大学 2016
本文编号：2967359
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/2967359.html
