三维复杂等离子体中界面上激波传播的数值模拟研究

发布时间：2020-08-21 08:10

【摘要】：传统等离子体发展日趋成熟,但由于其自身性质限制,有很多方面难以实现或深入发展。复杂等离子体应运而生,作为等离子体的一种,复杂等离子体中除包含电子离子成分外,还包含可达微米量级的颗粒。由于颗粒尺寸相对较大,我们可对其进行操控,且可实现可视化,对于原子层面的一系列物理性质可以提供较好的研究对象。地面实验室中的微粒受重力影响,会产生颗粒向下方堆积现象,虽然可以利用热泳力进行部分抵消,但影响难以消除。故复杂等离子体实验已经从地面实验发展到了太空微重力条件下的实验。利用飞行器的离心力抵消重力影响。PK-3 Plus作为经典的空间站微重力复杂等离子体实验装置,服役多年,向地面输送回大量数据,促进了复杂等离子体相关研究的发展。但复杂等离子体实验中许多参数难以测量和计算,所以对微重力复杂等离子体实验的数值模拟作用重大。数值模拟由于影响参数可控,且可调节性强,排除了复杂因素的影响,使得模拟结果更加准确,对于实验结果的分析能够提供很大参考。对于实验中发现的不明显现象,可进行进一步的深层研究,帮助对实验结果的理解。本文针对PK-3 Plus上二元复杂等离子体激波的传播进行研究。以往的数值模拟研究大多集中在一维或两维层面,一元系统为多,本文将研究重点聚焦在二元3D数值模拟,主要对实验中发现的激波界面反射现象进行数值模拟结果的分析,以加深对实验的理解,同时对各个参数对激波传播及界面现象的影响进行研究。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53
【图文】：

示意图,分散器,尘埃,示意图

图 1 包括旋转鼓和尘埃分散器的 Q 机的示意图[23]用于这种实验的尘粒通常是各种尺寸和形状的氧化铝（Al2O3）和高合硅酸铝，Al2Si2O7·nH2O）。从真空室收集尘埃颗粒样品，可以用电子摄的照片进行分析，以确定它们的尺寸分布。尘埃颗粒主要吸收等离子体颗粒（K+离子和电子）的电量而被充电尘埃粒子的情况类似于电势漂移的 Langmuir 探针[10]，该探针在 K+等所带浮点势可达的 T 。为了估算一个尘埃粒子的电荷状态，人们子视为一个半径为 rd的小球（尽管球形对于高岭土尘埃来说并不总是半径的球体具有C 的电容。因此，对于和T 的电量是 CV 。我们现在估计一个不带电的尘埃颗粒近平衡电位所需的时间为。这个时间近似为，其中I 是充电电流（因为 I I ）。当时，，T 我们有，I 和。由于尘埃颗粒度估计为 100 cm s-1，落在等离子体柱顶部非常薄的一层内，尘埃颗平衡电位。

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放电在具有冷电极的圆柱形玻璃管中产生。一个内径3厘米，长60厘米的玻璃管垂直放置。两电极间隔40厘米，放电电流0.4到2.5mA，氖的压力从0.2到1Torr变化。如图2所示，这些条件允许在两个电极之间形成自然的静止等离子体层。微米量级，质量达克级的颗粒被放置在玻璃管上部的尘埃分散器中。落下的颗粒被捕获并悬浮在引力 Z E （g是重力加速度，E 是底层电场）层中。图3 圆柱形放电系统的侧视图草图[24]

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圆柱形放电系统的侧视图草图

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