從電弧鍍膜到電推進系統(tǒng),從汽車火花塞到核聚變裝置,真空電弧在現(xiàn)代社會發(fā)展中扮演著重要的角色。然而真空電弧作為一種極端條件下發(fā)生的放電現(xiàn)象,不易從實驗中觀測其性質(zhì)。為了克服這一難題,本文應(yīng)用等離子體放電理論和數(shù)值模擬的方法,對真空電弧進行數(shù)值模擬仿真。近年來出現(xiàn)了對平行單元素電極進行數(shù)值模擬分析的方法,從而預(yù)測了特定裝置的失效形式和使用壽命。然而隨著電極結(jié)構(gòu)和材料的發(fā)展,平行和單元素電極已不滿足現(xiàn)代社會的需要。本課題通過前人的研究,進一步將真空電弧模擬推廣到復(fù)雜邊界、多元素粒子、三維的情況中。重點研究以上拓展功能中的模型構(gòu)建和數(shù)值計算,并分析仿真結(jié)果總結(jié)出不同邊界、電極元素構(gòu)成對真空電弧現(xiàn)象的影響。為了實現(xiàn)上述功能,構(gòu)建了真空電弧模擬框架�？蚣苤惺褂玫哪M方法為質(zhì)點網(wǎng)格法附加直接蒙特卡洛方法,模擬流程中使用了有限差分法求解電磁場的泊松方程,并對復(fù)雜電極形狀的邊界電場求解提出有效的處理方案;充分考慮了粒子間的碰撞關(guān)系,應(yīng)用了庫侖碰撞和二元碰撞理論實現(xiàn)粒子碰撞過程;通過粒子發(fā)射方程建立了場致電子發(fā)射、熱發(fā)射、二次電子發(fā)射和濺射等粒子發(fā)射模型,以及介紹了在粗糙表面發(fā)射區(qū)域的模型處理;介紹了真空... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同粒子發(fā)射模式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-12-寫作下列公式：Q(ti)=-Qcat(ti)+Qcat(ti-1)-Qinj(ti)(2-8)式中Q(ti)——ti時間下的電荷變化量（C）；Qinj(ti)——ti時間下的電荷發(fā)射量（C）。其中，電荷發(fā)射量是在陰極上ti時刻的電荷發(fā)射量，表示為：Qinj(ti)=-e(Ne-inj-Ne-removed-Ni+inj+Ni+removed)(2-9)式中e——電子電荷（e=1.60217733×10-19C）；Ne-inj——電子發(fā)射個數(shù)；Ne-removed——電子移除個數(shù)；Ni+inj——離子發(fā)射個數(shù)；Ni+removed——離子移除個數(shù)。使用這種方法處理電流比直接統(tǒng)計每個時間步穿過電極表面的電荷相比，具有更平滑的電流信號。如果外電路中不存在間隙電容或者間隙電容很小的情況下，這種處理方式則十分重要。至此得到了某個時刻的間隙電流的大小和方向。通過電流的大小計算反饋電壓，并對電極電壓產(chǎn)生壓降。對于不同的外電路，由于可能存在電阻、電感、電容的不同組合形式，對于相同的間隙電流會得到不同的反饋電壓。本文舉例平行板電極情況下的設(shè)備工作情形，此時外電路模型的構(gòu)建應(yīng)該是固定直流電壓源、電路上串聯(lián)電阻、并聯(lián)一個電容。其中并聯(lián)電容的原因是因為電極的尺寸對比電弧發(fā)生區(qū)域過于龐大，而且未發(fā)生電弧的區(qū)域也連接在了電路之上，那么此部分可以簡化為一個并聯(lián)在設(shè)備電路上的電容。如圖2-2所示。a)大面積平行電極簡化電路b)大面積平行電極等效電路圖2-2電極等效電容的產(chǎn)生此類回路可以通過下式進行表示：

第2章真空電弧的物理性質(zhì)及數(shù)值模擬方法-13-Vgap(t)=V0+1Cgap∫Icirc(t)-Igap(t)dtt0(2-10)式中Vgap——間隙電壓（V）；V0——初始電極間的電勢差等于零時刻回路電壓V0=U(t0)（V）；Cgap——間隙電容（F）；Igap——電極間隙電流（A）；Icirc——回路電流Icirc=U-VgapR（A）。假定陰極電壓為0而陽極電勢為φA，并對公式（2-9）進行差分簡化為：{φA(ti)=t(Icirc(ti-1)-Igap(ti))Cgap+φA(ti-1)φC=0(2-11)式中φA——陽極電勢（V）；φC——陰極電勢（V）。最后得到回路電流：Icirc(ti)=U-φA(ti)R(2-12)如果有特殊的應(yīng)用場景，可以單獨構(gòu)建外電路模型并整合到程序當中。2.3PIC-DSMC數(shù)值模擬方法傳統(tǒng)的PIC方法流程如圖2-3所示。圖2-3PIC模擬循環(huán)本文著重介紹一下二維軸對稱坐標系下的PIC-DSMC方法。由于不同物理參數(shù)之間的量綱系數(shù)不同，在進行數(shù)值模擬之前需要作無量綱化。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]第二十講 真空離子鍍膜[J]. 張以忱.  真空. 2019(06)
[2]中頻下圓周曲面觸頭真空電弧特性研究[J]. 佟子昂,武建文,金巍,孫航.  真空電子技術(shù). 2019(05)
[3]基于二維PIC-DSMC的微間隙氣體放電等離子體演化過程研究[J]. 徐翱,尚紹環(huán),金大志,談效華.  電子器件. 2016(05)

博士論文
[1]高性能多物理場數(shù)值算法研究及其應(yīng)用[D]. 游檢衛(wèi).東南大學(xué) 2016



本文編號：2967359