利用PIC模拟等离子体中电磁波传输

发布时间：2017-08-13 01:09

  本文关键词：利用PIC模拟等离子体中电磁波传输

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【摘要】：飞行器在大气层中超高速飞行时,飞行器表面由于剧烈的摩擦作用会产生一层等离子体层,称为等离子体“鞘套”。该等离子体层与入射电磁波之间存在着丰富的相互作用,如吸收、衰减、反射、折射等。从积极的角度来说,可以利用等离子体鞘套对入射电磁波的相互作用进行等离子体隐身;从消极的角度来说,该等离子体鞘套严重妨碍了地面指挥中心与飞行器之间的实时通信。随着计算机硬件及计算技术的发展,Particle in cell(PIC)方法在等离子体数值模拟中使用得越来越广泛。PIC方法为第一性原理出发,不同于通常数值模拟中的宏观上的方程,而是使用最基本的电磁学规律——麦克斯韦方程组,和最基础的力学规律——洛伦兹力方程与牛顿运动方程,对等离子体中的大量粒子进行运动轨迹的计算,最后根据粒子在坐标、速度的六维相空间中的分布,进行统计平均,得到等离子体的宏观性质。因此PIC方法可以认为是一种理论上的实验,适合研究物理本质问题。本文使用PIC方法研究了入射电磁波在等离子体鞘套中的能量吸收、反射规律。首先介绍了PIC这种等离子体数值模拟方法的基本流程,包括PIC的基本假设、离散空间内电磁场分量和电流电荷密度的计算、粒子推进方法、PIC模拟方法的改进等;其次对飞行器表面的等离子体鞘套进行模拟简化建模,包括模拟区域、粒子初始分布、模拟区域的边界条件设定等;最后给出了不同条件下的等离子体鞘套,对入射电磁波能量的吸收与反射的影响。
【关键词】：等离子体鞘套 电磁波 Particle in cell 传输特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V219
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 等离子体鞘套的理论计算11
• 1.2.2 等离子体鞘套对通信信号传播的影响11-12
• 1.2.3 解决黑障问题的主要方法12-13
• 1.2.4 PIC研究现状13
• 1.3 本文的主要研究内容13-15
• 第2章PARTICLE IN CELL基本原理15-29
• 2.1 PIC基本流程15-17
• 2.2 宏粒子及有限大小粒子模型17-20
• 2.3 电磁场FDTD算法20-24
• 2.3.1 空间离散化20-22
• 2.3.2 中心差分算法22-23
• 2.3.3 时偏差分算法23-24
• 2.4 粒子分配至网格24-25
• 2.5 粒子推进25-27
• 2.6 PIC模拟方法改进27-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第3章 电磁波在等离子体鞘套中传输建模29-39
• 3.1 等离子体鞘套几何形状建模29-30
• 3.2 粒子密度分布函数30-32
• 3.3 边界条件32-34
• 3.3.1 电磁场的边界条件32-34
• 3.3.2 粒子边界条件34
• 3.4 激励源设置34-38
• 3.4.1 时谐激励源34-36
• 3.4.2 脉冲激励源36-37
• 3.4.3 激励源添加37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 电磁波在等离子体鞘套中的传播模拟39-50
• 4.1 解析解39-42
• 4.2 电磁波入射非磁化等离子体42-48
• 4.2.1 不同等离子体密度模拟结果42-43
• 4.2.2 不同等离子体碰撞频率模拟结果43-46
• 4.2.3 不同等离子体厚度模拟结果46
• 4.2.4 不同等离子体电子数密度分布函数模拟结果46-48
• 4.3 电磁波入射磁化等离子体48-49
• 4.3.1 外加磁场减小黑障效应的理论分析48-49
• 4.3.2 不同恒磁场场强模拟结果49
• 4.4 本章小结49-50
• 结论50-51
• 参考文献51-56
• 致谢56

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本文编号：664599