二维Yukawa系统的动力响应模拟研究

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通过分子动力学模拟,本论文对二维尘埃等离子体在多种外力作用下的动力学响应进行了系统的研究。已经完成的课题包括:外加强磁场对二维Yukawa液体黏度的调制、压缩冲击波下二维Yukawa系统的动力学机制、外加剪切下二维Yukawa晶格融化和能量传输等。首先,模拟了垂直强磁场下,液态二维尘埃等离子体的动力学行为。将模拟出强磁场下尘埃颗粒运动的速度和位置,代入Green-Kubo关系式,得出描述系统动量输运的黏度。结果显示,外加强磁场能增加低温二维Yukawa液体的黏度,但却会降低高温二维Yukawa液体的黏度。在中间温度区域,随着外加磁场的增强,系统的黏度先降低后升高。基于现有模拟数据,本文给出了磁场对系统黏度调制结果的相关原因,这部分结果为今后磁化尘埃等离子体的研究提供指导。其次,二维Yukawa系统的一侧边界以恒定速度挤压时,模拟发现压缩冲击波被激发出来。针对模拟出的压缩冲击波,先获得二维Yukawa系统的冲击雨贡纽曲线。再结合兰金-雨贡纽关系式,理论推导出二维Yukawa系统冲击波后压强和内能的解析式。这些解析式中,自变量或为冲击波后颗粒平均速度v、或为冲击波前沿速度D、或为压缩系数的倒数τ/τ0这些实验易测的物理量,由此实验中无法测量的压强和内能等物理量也可通过实验易测量直接计算。特别地,还发现在不同Yukawa系统下,波后区域颗粒的平移速度和热运动速度均满足一个普适关系,作为此普适关系的应用,冲击波后温度能够解析推出。从已有的平衡态二维Yukawa系统的状态方程出发,从另一个角度也可推出冲击波后平移速度和热运动速度的关系,与发现的普适关系基本吻合。这不仅证明了普适关系的正确性,还说明从一定参数范围内的平衡态模拟得出的状态方程,依旧能很好地描述冲击波后的Yukawa系统。这份工作对压缩冲击波的物理机制做了有意义的尝试,为后续实验研究奠定了基础。最后,是关于尘埃等离子体剪切导致熔化实验的模拟。模拟发现,在强剪切作用下,二维Yukawa晶格的熔化界面会以纵波的速度推进。当剪切进一步增强就能激发出冲击波,此时,晶格融化界面的推进速度会超过纵波声速。此外,还发现在系统达到稳态后,此二维系统两个方向运动对应的动能比值会降至某个常数值附近。基于发现的压缩冲击波普适关系,对此动能比值进行了推导和进一步的讨论。这份模拟工作从模拟角度实现了之前激光调制尘埃等离子体剪切导致熔化实验里达不到的参数条件,验证了相关预言,并可为今后利用其它实验手段提供更强剪切的实验提供指导。
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