电子束激发等离子体与气流相互作用的混合仿真

论文摘要

作为等离子体技术诸多应用领域之一,基于等离子体的气体流动主动控制技术因其具有可以改变物体受力状态、拓宽稳定工作范围、没有运动部件、响应时间短、有望使飞行器或发动机气动特性实现重大提升等诸多优势而越来越受到重视。由电子束产生等离子体的方式相较于其他的等离子体产生方式具有一定的优势,但也存在实验设备昂贵、实验条件要求较高等缺点。在此背景下,本文采用数值仿真的方式对电子束激发等离子体及其与气流间的相互作用进行研究。本文选择0.1 A电流值、200 keV初始能量的电子束产生的等离子体在20 kPa压强、300 K温度的纯氮气环境下,通过对多组分等离子体与流体力学相耦合的多阶段数值模型的仿真来研究等离子体与气流间的相互作用。其中,多组分等离子体部分用来模拟由电子束产生的等离子体的时空演变行为,流体力学部分用来模拟氮气介质气体流动的特性,通过参数耦合方式来模拟两者之间的相互作用;对于多组分等离子体模型,采用连续性方程、动量方程和麦克斯韦方程来构建模型。对等离子体仿真部分,先用基于蒙特卡洛方法的EGS4软件仿真此高能电子束的空间分布,经过处理后导入COMSOL Multiphsics软件,并通过碰撞电离的方式获得等离子体的空间分布。在气流对等离子体的作用方面,仿真发现在不同气体流速下氮气气体对等离子体的密度、电势、场强分布均有影响,且气体流速越大影响越明显;在等离子体对气体流动的作用方面,仿真发现在不同气体流速下等离子体对氮气气体的流动与空间压强分布有影响,且气体流速越大影响也越明显;因此,可以认为等离子体与气流具有较强的相互作用效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 研究现状
•   1.3 本文研究内容及章节安排
• 2 混合仿真的模型
•   2.1 等离子体的基础
•   2.2 仿真模型的描述
•   2.3 本章小结
• 3 高能电子的蒙特卡洛仿真
•   3.1 蒙特卡洛方法的基本介绍
•   3.2 实现蒙特卡洛方法的EGS4 软件
•   3.3 电子在EGS4 软件中的输送原理
•   3.4 高能电子空间分布仿真
•   3.5 本章小结
• 4 气体流动对等离子体的影响
•   4.1 仿真计算方法和计算软件的介绍
•   4.2 仿真模型的软件实现
•   4.3 仿真结果的处理与分析
•   4.4 本章小结
• 5 等离子体对气体流动的影响
•   5.1 气体流速为0.3 马赫时的仿真结果与分析
•   5.2 气体流速为0.6 马赫时的仿真结果与分析
•   5.3 气体流速为0.9 马赫时的仿真结果与分析
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 龚超

导师: 杨勇

关键词: 等离子体,流动气体,数值仿真

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O53

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000771

总页数: 72

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