[发明专利]磁控等离子体动态分布研究方法

说明书

本发明公开了磁控等离子体动态分布研究方法，属于磁约束等离子体领域，包括以下步骤：S1：建立磁约束等离子体射流热耦合模型，在非导电流体力学的基础上，将一般流体所受的力与洛仑兹力相结合，S2：控制磁约束等离子体流动，S3：等离子体射流模拟，将洛伦兹力和焦耳热以源项的形式分别添加进动量方程和能量方程，开展了等离子体射流在圆筒结构中的流动传热特性三维数值模拟。本发明的研究方法更加的科学合理，基于磁流体动力学法构建磁约束等离子体射流热磁耦合模型，研究了同轴磁场和圆筒壁面条件对等离子体流动及传热特性的影响，并采用红外热成像技术试验测试了施加同轴磁场后的圆筒外壁面温度，验证了模型的有效性。

技术领域

本发明涉及磁约束等离子体领域，具体为磁控等离子体动态分布研究方法。

背景技术

等离子体中粒子间的运动是极其复杂的，既存在短程库伦作用引起的碰撞，又有带电粒子长程库伦作用引起的集体效应，当前，对等离子体的研究方法主要有：粒子轨道法、统计描述法和磁流体动力学法，其中，粒子轨道法只考虑单个粒子在外加电磁场中的运动，忽略了粒子间的集体效应，适用于稀薄等离子体；统计描述法则是将等离子体视为大量粒子的集合，用统计物理学得出粒子的速度、时间分布函数，该方法由于分布函数的参量过多，形式复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供磁控等离子体动态分布研究方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：磁控等离子体动态分布研究方法，包括以下步骤：

S1：建立磁约束等离子体射流热耦合模型，在非导电流体力学的基础上，将一般流体所受的力与洛仑兹力相结合；包括以下步骤：

A：建立物理模型；

B：得到控制方程；

C：设定边界条件；

S2：控制磁约束等离子体流动；

S3：等离子体射流模拟。

优选的，在S1中，用磁场控制等离子体的受力和运动状态，当对等离子体施加同轴磁场时，如果带电粒子存在径向运动，那么磁场与具有径向运动的带电粒子相互作用会产生洛伦兹力，驱使这些带电粒子旋转，进而改变等离子体射流的速度和传热特性。

优选的，在S1中，计算模型为长200mm，直径30mm的圆筒结构，设定入口处等离子体流的速度为U，沿平行圆筒轴线方向施加均匀分布的磁场B。

优选的，在S2中，外加磁场后，微观上带电粒子在洛伦兹力的作用下由杂乱无章的无规则运动转变为绕磁力线的回旋运动，正离子在洛伦兹力作用下发生偏转，与水平向前运动的中性粒子发生碰撞，进行能量和动量输运，碰撞之后的正离子在磁场作用下继续偏转运动，中性粒子则获得偏转方向的动量，沿着偏转方向运动，由于电子的质量非常小，碰撞过程中的动量和能量输运相当有限，所以正离子的运动将对射流运动起主导作用。

优选的，在S3中，将洛伦兹力和焦耳热以源项的形式分别添加进动量方程和能量方程，开展了等离子体射流在圆筒结构中的流动传热特性三维数值模拟。

优选的，在S3中，沿圆筒轴向施加均匀的平行磁场，由于等离子体射流存在径向速度的分量，带电粒子的运动受到洛伦兹力作用将变成平行磁力线的螺旋运动，在合适的磁场强度和分布下，将导致等离子体整体旋转。

优选的，在S3中，去除磁场，此时在靠近等离子体射流中心区域的流速较高，由内向外速度逐渐递减，且等离子体的径向速度梯度比轴向速度梯度大。

优选的，外加磁场越强，产生的洛伦兹力也就越大，因此，同轴磁场可以限制等离子体的扩散，起到对等离子体的压缩作用。