[发明专利]一种时变等离子体等效分层介质模型建模方法

权利要求书

1.一种时变等离子体等效分层介质模型建模方法，其特征在于，包含以下过程：

采用等值面提取算法对超高声速目标绕流流场数据进行分析，获取等离子体等电子数密度廓面信息；

利用所述等离子体等电子数密度廓面将临近空间超高声速目标绕流流场区域划分为边界层与普通层，并对各层等离子体所对应的特征频率、介电常数进行求解，建立等离子体的等效分层介质模型；

对于位于绕流流场边界层的时变等离子体，等离子体的电子数密度N_e表示为指数形式级数，其形式如下

式中，c_n为级数的系数，s为与等离子体振荡频率相关的系数；

边界层的时变等离子体的特征频率为

式中，为常数，其中e、m_e分别为电子电荷和电子质量；ε₀为真空介电常数；

根据时变等离子体的特征频率，边界层的复介电常数为

式中，b为与时间无关的复数，N_e(t)为边界层的电子数密度，ω为电磁波频率，ν为电子与中性粒子和其它粒子的碰撞频率。

2.如权利要求1所述的时变等离子体等效分层介质模型建模方法，其特征在于，所述等值面提取算法为Marching Cubes算法，

通过逐个处理数据场中的立方体，分类出与等值面相交的立方体，采用插值方法计算出等值面与立方体边的交点；根据立方体每一顶点与等值面的相对位置，将等值面与立方体边的交点连接生成等值面；

通过对点云信息数据中所有立方体元素的遍历，获得所述等值面在每个立方体元素中的分布情况，连接各三角面元获得所述等电子数密度廓面信息。

3.如权利要求2所述的时变等离子体等效分层介质模型建模方法，其特征在于，所述点云信息数据包括：压强、碰撞频率、温度、电子数密度、各类气体组分密度在空间的分布，所述点云信息数据为通过采用热化学非平衡热环境的N-S/DSMC耦合算法对稀薄大气层内高超声速目标绕流流场的建模得到。

4.如权利要求1所述的时变等离子体等效分层介质模型建模方法，其特征在于，临近空间超高声速目标绕流流场中的普通层区域的等离子体相对介电常数为：

式中：ω为电磁波频率；ω_p为等离子振荡角频率，q_e为电子电荷，ε₀为真空介电常数，m_e为电子质量，N_e为电子数密度，单位为cm^-3；ν为电子与中性粒子和其它粒子的碰撞频率。

5.如权利要求4所述的时变等离子体等效分层介质模型建模方法，其特征在于，在纯空气的情况下，所述碰撞频率ν与温度、压力的经验关系式为：

ν＝5.82×10¹²T^-1/2P

式中，T为温度，2000K＜T＜6000K，P为压强；

对带有烧蚀组分的混合气体，碰撞频率ν为：

式中，n_a为所有粒子数密度，X_i为混合气体中每个组分的质量百分率，Q_i为每一组分电子的矩传输截面，k为波耳兹曼常数；

k＝β-iα

式中，折射率衰减率c为光速，ω为电磁波频率，k₀为自由空间波数。