【摘 要】
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低温等离子技术在航天领域中的得到了广泛的应用。受到实验成本的限制,在电推进器领域中经常使用成本较低的等离子数值模拟方法代替实体实验。在目前的数值模拟方法中,全粒子模拟(PIC)方法是一种在粒子运动仿真方面已经成熟的算法。浸入式有限元(IFE)是一种能在存在复杂界面的区域中求解电势的电场求解器。PIC方法结合IFE方法后,能够在模拟区域下有复杂界面的情况下保证网格的一致性,有利于提高PIC方法的计算
【基金项目】
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企业单位委托项目,项目名称为DLZKS复杂边界JMS有限元粒子程序项目;
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低温等离子技术在航天领域中的得到了广泛的应用。受到实验成本的限制,在电推进器领域中经常使用成本较低的等离子数值模拟方法代替实体实验。在目前的数值模拟方法中,全粒子模拟(PIC)方法是一种在粒子运动仿真方面已经成熟的算法。浸入式有限元(IFE)是一种能在存在复杂界面的区域中求解电势的电场求解器。PIC方法结合IFE方法后,能够在模拟区域下有复杂界面的情况下保证网格的一致性,有利于提高PIC方法的计算效率,所以IFE-PIC方法在等离子体仿真模拟中得到了广泛的应用。无论是电推进器的仿真模拟研究还是实体试验中都发现了邻近壁面处会出现鞘层现象和在出口处会出现粒子堆积的现象。而鞘层里和粒子堆积处会出现电势剧烈的变化从而会引起较大的误差。现有的IFE-PIC方法只能使用均匀的网格,想要得到更高的仿真精度必须要对仿真的网格进行全局的加密。然而对网格进行全局的加密带来的计算机算力成本几乎是无法承受的。于是有人提出SIDG(Selective Immersed Discontinuous Galerkin)方法,SIDG电场求解器能够对指定的区域进行局部网格加密,在特定区域采用更加细密的网格,在其他区域采用相对稀疏的网格从而达到对特定区域进行重点研究的目的。根据已有的研究基础,本课题编写了一套具有局部网格加密功能的SIDG算法,且通过验证算例证明了该算法的正确性。为了适应仿真中的轴对称模型,本课题还对SIDG方法添加了计算轴对称模型的功能。而PIC方法为了适应SIDG算法中网格加密功能产生的不均匀网格,将其中的电场强度求解方法升级为了保多项式梯度重构(PPR)方法。最后,修改过后显格式PIC模型结合SIDG方法,耦合出一套能够在不均匀网格仿真区域对粒子运动进行仿真的模型,通过设计一个单粒子运动轨迹算例验证了该方法推动粒子的精确性。本课题使用了不同局部网格加密设置的显格式轴对称SIDG-PIC方法对离子推进器中的栅极结构进行了等离子体运动仿真,对屏栅极和加速栅极组成的栅极孔2D3V模型进行了仿真模拟。通过对仿真结果的对比,从计算精度和仿真时间两个方面考虑,确认了在物体附近界面单元处进行网格加密的性价比最高。在确定好加密方案后,本课题使用了界面处网格加密的方式对考虑了中和器的栅极模型进行了仿真模拟,研究其等离子体的运动演化过程。从仿真结果看,确认中和器放置在轴向无量纲位置250-270区域对羽流的中和能力最好。
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