[发明专利]一种基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法，包括如下步骤：步骤1，确定MHD模型：步骤2，初始化参数：步骤3，基于时域有限差分法更新磁场分量；步骤4，基于高斯消元法更新计算等离子体速度；步骤5，基于约束插值曲线法更新计算等离子体密度分布：步骤6，采用时域有限差分离散格式计算电场分量；步骤7，记录采样点的电磁场、等离子体速度、等离子密度数据；步骤8，将n+1赋值给n，并判断n是否达到预设时间步数，若未达到预设值，则返回步骤3，若达到预设值，则结束。本发明所公开基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法，可实现实时多物理参变量(电场、磁场、等离子体密度和等离子体速度等)的演变特征监测。

技术领域

本发明属于计算电磁学技术领域，特别涉及该领域中的一种基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法。

背景技术

磁流体理论(Magnetohydrodynamics，MHD)是描述高频电磁波与磁化等离子体相互作用的重要理论之一，主要涉及电场、磁场、等离子体(电子和离子)速度、等离子体密度等多物理参数。建立多物理参量的时空离散方案、创建物理参量的更新模拟方法是模拟高频电磁波与磁化等离子体相互作用的难题。考虑到MHD理论涉及麦克斯韦方程，可把时域有限差分方法中的Yee结构作为首选，但仍需定义每个格点的物理性质，赋予不同位置的等离子体特征。同时还需要解决等离子体速度的收敛性问题，以及由于离子体密度更新中对流项的存在而导致求解过程中出现的不稳定现象。因此建立一套基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值方法一直是等离子体数值模拟的热点及难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法，建立多物理参量的时空离散方案，创建电场、磁场、等离子体速度、等离子密度的更新模拟方法，以解决等离子体速度的收敛性问题以及等离子体密度更新中的不稳定现象，具有稳定和低耗散性的明显优势。

本发明采用如下技术方案：

一种基于MHD的电磁波与磁化等离子体作用数值模拟方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，确定MHD模型：

步骤11，建立电磁波与磁化等离子体相互作用的控制方程组，如下式：

其中，下标α表示等离子体的种类：电子e或氧离子O⁺，分别指x，y，z方向的单位向量，表示磁场扰动，表示电场扰动，是随时间变化的等离子体速度，N_α为等离子体的数密度，式(1)中μ是磁导张量，σ^m为磁损耗张量，式(2)中ε为介电张量，σ^e为电损耗，q_e＝-e，分别表示带电荷量，电流由电子运动和离子运动形成，即式(4)中m_α分别为m_e电子质量，氧离子质量，B₀表示外加磁场，忽略入射电磁波产生的扰动磁场，ν_α为碰撞频率，k_B是玻尔兹曼常数，T_α是等离子体温度；

步骤12，选取二维平面xOz为外加磁场所在的平面，忽略上述物理参数在y方向梯度的变化ψ为任意参量，只考虑外加磁场平面上梯度的变化，即垂直方向z方向和x方向的梯度变化，将式(1)至(4)展开，如下式：

步骤2，初始化参数，包括确定计算参量时域和空间域的离散化方案和输入模型文件：

步骤21，确定计算参量时域和空间域的离散化方案：