月表鞘层特性及明暗界线区月尘悬浮的数值模拟研究

发布时间：2017-03-22 01:42

  本文关键词：月表鞘层特性及明暗界线区月尘悬浮的数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：航天器以及宇航员在月球探测过程中因为悬浮月尘会遇到许多困难,例如：机械机构卡死、关键部件磨损、热控系统故障、密封机构失效、敏感材料失效等。因此月表附近月尘悬浮机理的研究显得尤为重要,静电输运是小颗粒月尘悬浮的主要原因,月表附近尤其是明暗界线区域附近会形成很强的电场,而关于月表明暗界线区域鞘层电场结构的研究较为缺乏。因此月表附近鞘层电场结构以及明暗界线区域附近复杂电场结构的研究对于月尘悬浮机理的研究具有十分重要的意义。本文通过建立基于IFE-PIC方法的全粒子有限元数值模拟方法,研究了月表鞘层结构的电场分布情况,基于模拟结果发现月表鞘层存在周期性振荡现象,分析了鞘层电场的振荡特性及原因；模拟研究了月球表面明暗界线区域附近电场结构,根据研究得到的月表明暗界线区域电场结构研究月尘悬浮过程的物理机理,分析了振荡鞘层对月尘悬浮的影响。本文的主要研究内容如下：鉴于处于空间等离子体中的月球存在表面电荷沉积现象(太阳风等离子体沉积、月表光电子发射等),建立了能够捕获界面电荷沉积现象的界面阶跃双线性浸入式有限元方法,并且基于此方法建立了一套基于界面阶跃双线性浸入式有限元方法(IFE)和质点网格法(PIC)的有限元数值仿真程序。研究了IFE-PIC方法模拟空间等离子体运动过程中的边界问题,解决了无穷远边界条件以及周期性边界条件,提出了与传统PIC插值算法不同的IFE-PIC插值算法,研究了基于界面电荷总量的界面阶跃问题的迭代IFE方法,完善了IFE-PIC有限元数值模拟方法。基于完善的IFE-PIC数值模拟工具对月表鞘层电场结构进行了研究,给出了空间饱和鞘层和经典鞘层状态下电场分布,密度分布,太阳风氢离子和电子密度分布以及光电子密度的空间分布情况,并与理论研究进行对比,进一步验证了数值方法的正确性,研究月表鞘层结构的振荡特性并且分析了月表鞘层振荡结构形成的物理机制。研究了太阳风速度,光电子密度对经典鞘层和空间饱和鞘层结构的影响,分析了太阳风速度以及光电子密度发生改变时对月表振荡鞘层的影响；模拟研究了月球晨昏线附近明暗界线区域和月球局部明暗交界区域鞘层电场结构,分析了明暗界线区域中光照区域的振荡鞘层对阴暗区域的影响,认为阴暗区域的鞘层振荡为光照区域的等离子体水平运动至阴暗区域导致。依据月尘颗粒带电受力的数学模型,基于月表明暗界线区域电场结构的数值模拟结果研究在不同月表区域下的明暗交界区域中月尘颗粒的悬浮过程,研究了月表鞘层电势发生振荡时对带电悬浮月尘的影响。通过研究了解了月尘在鞘层静电场中带电悬浮的过程,并提出搭建实验平台的初步方案。通过本文的研究结果能够加深对月球表面空间等离子体环境的认识,同时能够对探月活动的航天设备以及宇航员在月表行进过程中遇到的月尘问题提供重要的理论支撑,进一步推动探月工程的快速发展。
【关键词】：空间等离子体 月球 鞘层 IFE-PIC 月尘运动
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P184.5
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 绪论13-33
• 1.1 课题背景及研究意义13-17
• 1.2 月表电场及月尘运动研究现状17-20
• 1.3 等离子体数值模拟方法现状20-26
• 1.3.1 等离子体磁流体模拟方法研究现状20-23
• 1.3.2 等离子体动力学模拟方法研究现状23-25
• 1.3.3 等离子体混合模拟方法研究现状25-26
• 1.3.4 月球明暗界线区域模拟方法26
• 1.4 浸入式有限元质点网格法(IFE-PIC)求解方法概述26-31
• 1.4.1 浸入式有限元方法概述及研究现状26-28
• 1.4.2 质点网格方法概述28-31
• 1.4.3 IFE-PIC方法计算流程31
• 1.5 本文的主要研究内容31-33
• 第2章 IFE-PIC数值计算模型的建立及完善33-72
• 2.1 双线性浸入式有限元方法33-36
• 2.1.1 界面问题的数学模型33-34
• 2.1.2 双线性浸入式有限元空间构造34-36
• 2.1.3 有限元伽辽金方法36
• 2.2 界面阶跃双线性浸入式有限元方法36-38
• 2.2.1 界面阶跃问题的数学模型37
• 2.2.2 界面阶跃问题双线性有限元空间构造37
• 2.2.3 界面阶跃问题有限元伽辽金方法37-38
• 2.3 浸入式有限元方法边界条件38-49
• 2.3.1 无穷远边界条件39-44
• 2.3.2 周期性边界条件44-49
• 2.4 IFE-PIC插值算法的改进49-62
• 2.4.1 传统质点网格法插值算法50-51
• 2.4.2 IFE-PIC改进插值算法51-53
• 2.4.3 插值算法数值验证53-59
• 2.4.4 插值算法综合数值模拟59-62
• 2.5 基于界面电荷总量的界面阶跃问题的迭代IFE方法62-70
• 2.5.1 数学模型62-63
• 2.5.2 基于界面总电量的迭代算法63-64
• 2.5.3 数值例子验证迭代算法64-70
• 2.6 本章小结70-72
• 第3章 月表鞘层电场结构数值模拟72-94
• 3.1 月表鞘层电场结构理论研究72-76
• 3.1.1 捕获电子的电荷密度分布72-74
• 3.1.2 泊松方程的无量纲化74-75
• 3.1.3 边界条件75-76
• 3.2 基于IFE-PIC方法模拟空间饱和鞘层76-85
• 3.2.1 模拟区域及无量纲参数设置76-78
• 3.2.2 边界条件设置78-80
• 3.2.3 模拟结果及分析80-85
• 3.3 基于IFE-PIC方法模拟经典鞘层85-90
• 3.3.1 模拟区域及参数设置85
• 3.3.2 模拟结果及分析85-90
• 3.4 月球表面鞘层结构振荡分析90-92
• 3.5 本章小结92-94
• 第4章 月表鞘层演化及明暗界线区域鞘层分析94-128
• 4.1 太阳风速度对鞘层结构的影响94-102
• 4.1.1 太阳风速度对经典鞘层结构的影响94-98
• 4.1.2 太阳风速度对空间饱和鞘层的影响98-102
• 4.2 光电子密度对鞘层结构的影响102-112
• 4.2.1 光电子密度对经典鞘层结构的影响102-108
• 4.2.2 光电子密度对空间饱和鞘层的影响108-112
• 4.3 月球晨昏线附近明暗交界区域鞘层结构研究112-117
• 4.3.1 数值模型及参数设置112-114
• 4.3.2 计算结果与分析114-117
• 4.4 月球局部明暗交界区域鞘层结构研究117-123
• 4.4.1 数值模型以及参数设置118
• 4.4.2 计算结果及分析118-123
• 4.5 明暗界线区域鞘层结构振荡分析123-126
• 4.6 本章小结126-128
• 第5章 明暗界线区域月尘悬浮运动特性的研究128-137
• 5.1 月尘颗粒带电的数学模型128-130
• 5.2 月球晨昏线附近明暗界线区域月尘颗粒运动研究130-133
• 5.3 鞘层振荡对月尘悬浮过程影响分析133-136
• 5.4 本章小结136-137
• 结论137-140
• 参考文献140-149
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果149-152
• 致谢152-154
• 个人简历154

  本文关键词：月表鞘层特性及明暗界线区月尘悬浮的数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：260637