Численное моделирование кинетических процессов в пылевой плазме

• Автор: Иньков, Леонид Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 94 с. : ил

Содержание
Введение

1 Обзор современного состояния исследований пылевой плазмы

1.1 Элементарные процессы и общая теория

1.2 Плазменнопылевые кристаллы

1.3 Распространение волн в пылевой плазме и исследование неустойчивостей

1.4 Плазменная обработка поверхностей

1.5 ристеночная плазма в установках термоядерного синтеза .

1.6 Численное моделирование пылевой плазмы.

2 Кинетическая модель пылевой плазмы

2.1 Постановка задачи.

2.2 Вычисление силы, действующей на частицу плазмы.
2.3 Описание столкновений
2.4 Уравнения для частиц пыли .
2.5 Квазистационариая задача.
2.6 Приток частиц
2.7 Оптимизация параметров модели
2.8 Реализация модели и первые результаты
3 Рассеяние потока плазмы на облаке пылевых частиц вблизи стенки
3.1 Физическая модель
3.2 Схема численного эксперимента
3.3 Открытость системы. Инжектор.
3.4 Результаты расчетов .
3.5 Выводы.
Заключение
Введение
Актуальность


Такой интерес объясняется, с одной стороны, богатым набором обнаруженных в пылевой плазме интересных явлений, таких как пылевой звук, плазменно-пылевые кристаллы, когерентные солитоно-подобные структуры, пылевые воиды и вихри, а с другой стороны, важными технологическими применениями, такими как производство микросхем, плазменная обработка поверхностей и установки термоядерного синтеза. Пылевая плазма полностью оправдывает свое второе название “комплексной” или сложной плазмы. И если десять лет назад преобладали попытки воспользоваться для описания пылевой плазмы стандартными для физики плазмы приближениями и подходами и рассматривать пыль как всего лишь дополнительную плазменную компоненту, то вскоре стало понятно, что пылевая плазма — это весьма специфическая система со сложным взаимодействием коллективных процессов в плазме и диссипативных процессов на поверхности пылевых частиц. Экспериментальное исследование также оказалось нетривиальной задачей и потребовало разработки новых методов диагностики и измерений. Большое количество разномасштабных конкурирующих и взаимовлия-ющих процессов сильно затрудняет задачу аналитического и экспериментального исследования пылевой плазмы. В связи с этим, следует ожидать, что большую роль должны сыграть именно математическое моделирование и численный эксперимент. Хотя и здесь ни один из существующих методов моделирования плазмы не подходит в чистом виде вследствие чрезвычайной разномасштабности задачи. Состояние вопроса. Современное состояние исследований пылевой плазмы характеризуется большим интересом в мире, накоплением большого количества экспериментальных данных. Современные аналитические исследования направлены на оценку влияния наличия пылевых частиц на развитие плазменных неустойчивостей, волновых и других коллективных процессов. Эти исследования основаны на серьезных упрощениях в постановке задачи: распределение электронов полагается равновесным (Больцмановским), ионы рассматриваются в баллистическом приближении, характеристики пылинок несамосогласованы с локальными параметрами плазмы, кинетические уравнения линеаризуются и т. Вопрос о применимости таких упрощений к пылевой плазме остается открытым. Не смотря на то, что описано большое количество механизмов, объясняющих те или иные процессы в пылевой плазме, пока что можно говорить лишь о качественном, а не количественном описании. Однако сложность проблемы дает о себе знать и здесь. Большинство описанных в литературе численных экспериментов опираются на не менее серьезные допущения и упрощения. Для краткости, не будем останавливаться на моделях, пренебрегающих влиянием параметров окружающей плазмы на параметры пылинок, и моделями, пренебрегающими влиянием заряда пылинки на параметры плазмы. Трехмерность но пространству и по скоростям. Принципиальным недостатком использования двумерных, а тем более, одномерных моделей, является не то, что геометрический фактор искажает важные для понимания процессов в пылевой плазме механизмы, а то, что конкурирующие механизмы искажаются в разной степени. Сильные столкновения. Важнейшую роль в передаче энергии, импульса и заряда в пылевой плазме играют сильные неупругие и кулонов-ские столкновения между частицами плазмы и пылинками. Поэтому любые упрощения, влияющие на описание столкновений, должны проводиться с особой осторожностью. Учет кинетических эффектов. Функции распределения электронов и ионов вблизи частиц пыли сильно неравновесны. Кроме того, большинство интересных эффектов в пылевой плазме существуют лишь благодаря существенной открытости системы. Поэтому использование таких приближений, как гидродинамическое описание ионов заведомо на порядок сужает круг явлений, которые может описать модель. Используя метод в несвойственных для него условиях, приходится либо жертвовать описательной способностью модели, либо использовать чрезвычайно вычислительно-дорогостоящие модели, реализация которых в трехмерной геометрии просто невозможна. Поэтому единственный выход состоит в осознании многомасштабности задачи как по пространству, так и по времени. И хотя “многомасштабная” модель будет на порядок сложнее в алгоритмическом плане, можно ожидать большего выигрыша в вычислительной эффективности и описательной способности модели. Цель работы. Научная новизна.