基于轴对称IFE-PIC模型的电推进数值模拟研究

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低温等离子在工业已有许多应用,特别是在航天领域中的电推进器应用十分广泛。等离子数值模拟方法中,粒子模型能精确反映微观等离子体特性,但现有的显格式粒子模型时空步长受制于稳定性限制,使大尺度、长时间的模拟花费成本巨大。传统上常用来加速数值模拟的缩放方法需要改变粒子物理参数,不能完全反映真实等离子物理现象。于是一种隐格式的粒子模型被提出,这种方法可以采用较大时空步长,同时不改变粒子物理参数,在保证准确度的情况下提高了大尺度的等离子模拟的运算效能。为此将此方法引进轴对称坐标下的等离子模拟并用其模拟整体电推进器。全粒子模拟(PIC)也称粒子云网格模拟,其粒子在规则的网格下进行模拟,而浸入式有限元(IFE)方法可以在有复杂边界的情况下保持网格的规则性,因此这两种方法有着优越的耦合性。而隐格式的PIC方法更新电场需要求解各向异性泊松方程,故需要使用各向异性IFE算法。在以上基础上,本文为隐格式的IFE-PIC方法发展出了一套轴对称模型。为此对IFE方法进行改动使其能求解轴对称坐标下的泊松方程,并对轴对称下各向同性和各向异性实例进行了验证。此外,对PIC方法的粒子推动、粒子边界处理、权重插值函数都做了适应于轴对称坐标的修改,并且对粒子在电磁场下的运动轨迹进行了验证。本文基于轴对称隐格式IFE-PIC程序,对离子推进器的两种栅极:直流栅极和射频偏置栅极进行了模拟,对直流栅极的稳定状态的等离子分布和离子加速过程进行了分析;对于射频偏置栅极对比研究了射频电压四种相位下的稳定状态等离子分布和电子引出情况。对比了两种栅极的下游中和率和射出离子的能量分布,量化分析了两种栅极的优劣。本文采用轴对称隐格式IFE-PIC程序,对阳极层霍尔推进器的加速通道及部分羽流区进行了仿真。并引入了蒙特卡罗方法仿真电子和中性粒子之间的碰撞。模拟中达到平衡后,在霍尔推进器的通道出口建立了稳定的放电区,对其中的等离子特性进行了解析。
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