IFE-PIC(Immersed Finite Element–Particle In Cell)是结合浸入式有限元和质点网格法的一种数值模拟算法,该算法是基于笛卡尔坐标系下的规则网格所做的模拟计算,运用PIC的方法推动粒子在计算区域内运动,采用IFE的方法求解电场。由于该算法在模拟粒子运动方面的优势,目前被广泛应用于电磁场有限元方面的仿真,但是由于采用规则化的网格,使得物体和网格存在相交的情况,产生界面单元,这种单元的存在使得基函数不再连续,电荷分配也存有缺陷,最终会在界面单元处产生相对较大的数值计算误差。基于IFE-PIC算法在等离子体领域的应用,本课题主要研究IFE-PIC界面精度的改进算法,并实现改进算法在工程仿真中的应用。具体研究内容如下:首先,本课题对IFE界面单元的求解算法做了改进,基于PPIFE(Partially Penalized IFE)理论进行浸入式有限元的界面单元求解,设计完成PPIFE求解程序和数值验证算例,通过分析误差验证算法的准确性。本文主要完成了算法程序的整体设计工作,包括计算区域的选择、解析解的构造、基函数的求解和刚度矩阵与右端向量的合成,最后通过求解得到数值结果并完成误差分析,通过误差比对,说明了新算法具有更高的模拟计算精度。随后,文中介绍了标准PIC界面电荷插值算法的不合理现象,基于此现象文中提出一种新的改进方案,该方法与标准的PIC电荷插值采用相同的权重系数,使得IFE单元的电荷分配与FE单元的电荷分配权重系数相同,然后完成了程序的编写和误差验证工作,最后通过构建数值算例验证了改进后算法的合理性。文中最后将PPIFE求解电场的算法与改进后的PIC电荷插值方法结合在一起,形成一套完整的PPIFE-PIC计算程序,该程序较传统的IFE-PIC程序的界面精度有所提高。之后使用新程序对月球表面的经典鞘层环境做了模拟计算,分析了鞘层形成的过程,以及太阳风入射角度对鞘层结构的影响。通过仿真结果分析,最终得到新算法在电磁场有限元仿真中可以提高界面精度的结论。