Транспортные процессы в пылевой плазме : Численное моделирование и анализ экспериментов

• Автор: Ваулина, Ольга Станиславовна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 220 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ДИНАМИКА МАКРОЧАСТИЦ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ

1.1. Экспериментальные исследования пылевой плазмы

1.1.1. Наблюдения пылевых структур в лабораторной плазме

1.1.2. Применение метода визуализации для диагностики макрочастиц

1.1.3. Оптические методы диагностики макрочастиц в термической плазме

1.2. Механизмы зарядки макрочастиц

1.2.1. Приближение ограниченного орбитального движения (ОМЬ)

1.2.2. Неэмитирующие макрочастицы в газоразрядной плазме

1.2.3. Эмиссионная зарядка пылевых частиц
1.3. Взаимодействия в пылевой плазме
1.3.1. Неэлектрические силы
1.3.2. Силы, связанные с электростатическим зарядом макрочастицы
1.3.3. Силы межчастичного взаимодействия
1.4. Применение метода молекулярной динамики для моделирования
транспортных процессов в пылевой плазме
1.4.1. Методы моделирования динамики пылевых частиц
1.4.2. Уравнения движения макрочастиц
1.4.3. Моделирование стохастических процессов
1.4.4. Параметры масштабирования уравнений движения
1.5. Выводы
Глава. 2. ТРАНСПОРТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАВНОВЕСНЫХ ПЫЛЕВЫХ СИСТЕМ В НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ
2.1. Численные исследования неидеальной пылевой плазмы
2.2. Критерии фазовых переходов для трехмерных систем Юкавы
2.3. Моделирование динамики взаимодействующих частиц
2.3.1. Параметры численной задачи
2.3.2. Формирование упорядоченных структур в диссипативных системах
2.3.3. Временная эволюция процессов массопереноса
2.3.4. Коэффициент диффузии взаимодействующих частиц
2.3.5. Конденсация макрочастиц в численном эксперименте
2.4. Экспериментальное исследование микроскопической динамики
пылевых частиц в плазме газовых разрядов
2.4.1. Применение результатов численного моделирования для диагностики
макрочастиц в пылевой плазме
2.4.2. Диагностика параметров пылевых структур
2.4.3. Описание экспериментов
2.4.4. Анализ результатов измерений транспортных характеристик макрочастиц
2.5. Выводы

Глава 3. ФОРМИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ
3.1. Формирование автоколебаний в открытых неравновесных системах
3.1.1. Динамические пылевые структуры в неоднородной плазме
3.1.2. Дисперсионные соотношения в неконсервативных системах
3.1.3. Условия формирования пылевых автоколебаний в неоднородной плазме
3.2. Динамические характеристики пылевых систем в газоразридной плазме
3.2.1. Градиенты заряда макрочастиц
3.2.2. Неэлектростатические силы в газоразрядной плазме
3.2.3. Кинетическая энергия частиц
3.3. Численное моделирование систем с градиентом заряда макрочастиц
3.3.1. Параметры задачи
3.3.2. Вихревое движение макрочастиц
3.3.3. Примеры “дисперсионного” движения частиц
3.4. Экспериментальные наблюдения пылевых колебаний
в плазме газовых разрядов
3.4.1. Автоколебания макрочастиц в пылевой плазме тлеющего разряда
3.4.2. Формирование пылевых автоколебаний в плазме вч- разряда
3.4.3. Экспериментальный анализ вихревого движения частиц в микрогравитации
3.5. Выводы
Глава 4. ВЛИЯНИЕ СТОХАСТИЧЕСКИХ ФЛУКТУАЦИЙ ЗАРЯДОВ
НА ДИНАМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ
4.1. Природа случайного изменения зарядов пылевых частиц в плазме
4.2. Стохастические изменения равновесного заряда макрочастиц
за счет дискретности токов зарядки
4.2.1. Модель стохастических флуктуаций заряда макрочастиц
4.2.2. Влияние флуктуаций заряда на величину кинетической энергии
макрочастицы
4.2.3. Моделирование динамики макрочастиц с флуктуирующими зарядами
4.2.4. Величина стохастической энергии частиц, приобретаемой за счет
флуктуаций токов зарядки, в лабораторной плазме газовых разрядов
4.3. Формирование стохастических пылевых колебаний
в пространственно неоднородной плазме
4.3.1. Влияние стохастических пространственных флуктуаций заряда
на динамику макрочастиц
4.3.2. Определение заряда частиц в приэлектродном слое вч- разряда
4.3.3. Динамика формирования стохастических вертикальных колебаний
пылевых частиц в плазме вч- разряда
4.4. Выводы

Глава 5. ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ С ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ
5.1. Условия формирования пылевых структур в термической плазме
5.1.1. Описание экспериментов
5.1.2. Особенности формирования упорядоченных структур в термической плазме
5.2. Перенос излучения в высокотемпературных дисперсных средах
5.2.1. Прямые и обратные задачи теории рассеяния
5.2.2. Решение УПИ методом последовательных приближений
5.2.3. Влияние многократного рассеяния на перенос собственного излучения
5.3. Коррекция многократного рассеяния в измерениях ослабления света
53.1. Корректировочный фактор для различных апертурных углов фотоприемника
53.2. Экспериментальный анализ корректировочных факторов
5.4. Дифракция оптического излучения на упорядоченных
структурах макрочастиц
5.4.1. Дифракция оптического излучения как метод структурного анализа
5.4.3. Тестовые измерения
5.4.3. Измерение дифракции излучения на пылевых структурах в термической плазме
5.5. Выводы
Глава 6. ТРАНСПОРТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКРОЧАСТИЦ В ФОТОИНДУЦИРОВАННОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ
6.1. Динамика макрочастиц в двухкомпонентной пылевой плазме,
индуцированной солнечным излучением, в условиях микрогравитации
6.1.1. Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением
6.1.2. Экспериментальная установка и описание эксперимента
6.1.3. Анализ измерений движения отдельных макрочастиц
6.1.4. Оценки фотоэмиссионных зарядов макрочастиц
6.1.5. Поляризационные эффекты в двухкомпонентной
плазменно-пылевой системе
6.2. Формирование стационарных пылевых структур
в фотоэмиссионной ловушке
6.2.1. Формирование структур положительно заряженных макрочастиц
6.2.2. Распределение потенциала электрического поля в ловушке с фотокатодом
6.2.3. Динамика формирования пылевых структур в цилиндрической фотоловушке
6.3. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

процессов тепло- и массопереноса, поведения частиц в поле внешних сил, динамики формирования упорядоченных структур и различных фазовых переходов в системе частиц.
ММД основан на решении системы обыкновенных дифференциальных уравнений движения частиц в поле различных сил. В рамках данного подхода можно выделить метод молекулярной динамики, основанный на интегрировании обратимых уравнений движения частиц (МОД), и метод броуновской динамики, основанный на решении уравнений Ланжевена и учитывающий необратимость исследуемых процессов (МВД). В первом случае, учитываются только упругие взаимодействия частиц, в пренебрежении диссипацией (трением) и другими процессами обмена энергией между частицами и внешней средой (термостатом). Движение частиц в такой системе не является устойчивым (по Ляпунову), а для поддержания их равновесной температуры применяют процедуры перенормировки расчетных данных через определенное число шагов интегрирования. Данный подход позволяет адекватно моделировать процессы в атомных системах и неприемлем для анализа движения макрочастиц в лабораторных плазме, где диссипация, обусловленная столкновения с атомами или молекулами газа, играет значительную роль.
Большинство из численных результатов, представленных в данной работе, получены методом броуновской динамики (МБД). В отличие от МОД, метод броуновской динамики (или динамики Ланжевена) учитывает потери кинетической энергии частиц за счет сил трения, а равновесное состояние системы с постоянной температурой поддерживается за счет ее обмена энергией с термостатом. Данный обмен задается случайной силой согласованной с силами трения в рассматриваемой системе при помощи флуктуационно-диссипативной теоремы [83]. Особое значение МБД при моделировании динамики макрочастиц в пылевой плазме состоит в том, что уравнения Ланжевена позволяют учесть взаимодействия пылевых частиц с «частицами термостата», которые поддерживают статистическое равновесие в рассматриваемой системе. Такое равновесие наблюдается во многих экспериментальных ситуациях (см. п. 1.1.2), где регистрируются максвелловские распределения скоростей пылевых частиц. При этом, МБД позволяет учитывать процессы обмена энергией между макрочастицами и внешней средой не только за счет их столкновений с молекулами окружающего газа, а также за счет других стохастических процессов, например, за счет флуктуаций заряда макрочастиц, которые приводят к росту их кинетической температуры Тр относительно температуры газа Г„ [19,84] (см. Гл. 3-4).