[发明专利]磁控等离子体动态分布规律研究方法

说明书

本发明公开了磁控等离子体动态分布规律研究方法，属于等离子研究领域，包括以下步骤：S1：选择研究方法，S2：构建磁约束等离子体射流热磁耦合模型，S3：模拟流动控制数值，S4：对比，验证模型有效性，在S1中，等离子体的研究方法分为三种：粒子轨道法、统计描述法和磁流体动力学法，选用磁流体动力学法对进行研究，在S2中，等离子体具有良好的导电性和与磁场的可作用性。该磁控等离子体动态分布规律研究方法更加科学合理，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，从而快速的研究磁约束等离子体动态分布规律。

技术领域

本发明涉及等离子研究领域，具体为磁控等离子体动态分布规律研究方法。

背景技术

等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态。物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，就像下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。电子离开原子核，这个过程就叫做“电离”。这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成的、一团均匀的“浆糊”，因此人们戏称它为离子浆，这些离子浆中正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。

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。

磁流体动力学法是把等离子体看成连续的导电流体，研究导电流体在电磁场中运动规律的一种宏观理论。通过对电磁学方程和流体力学方程进行耦合求解，可以获得等离子体流场的速度和温度等宏观量，等离子体物理中大约80％以上的现象都能用流体方法描述。但是，现有的磁控等离子体动态分布规律研究方法，没有仔细研究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，且没有有效验证了模型的有效性。

发明内容

本发明的目的在于提供磁控等离子体动态分布规律研究方法，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规律研究方法，包括以下步骤：

S1：选择对等离子体的研究方法；

S2：构建磁约束等离子体射流热磁耦合模型，包括以下步骤：

A：建立圆筒结构物理模型；物理模型为长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：研究磁场对等离子体流动特性的影响，对流体力学方程进行相应地修正；为研究磁场对等离子体流动特性的影响，在传统流体力学的基础上，将洛伦兹力和焦耳热分别加入到动量和能量守恒方程中，对流体力学方程进行相应地修正，由于质量守恒方程不涉及力的作用，因此磁流体力学与传统流体力学的质量守恒方程相同；