電離層F層是大尺寸的天然等離子體區(qū)域,其中的等離子體分布具有非均勻、時變等特點(diǎn)。利用電磁波對電離層加熱研究電離層等離子體的電波傳播特性是近年來的熱門課題之一。時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法可以對復(fù)雜目標(biāo)中的電磁問題在時域直接計算求解,是電磁仿真領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法。使用FDTD算法對電離層加熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬能夠直觀地展現(xiàn)電磁場以及等離子體密度的變化情況,有助于理解電離層與電磁波間復(fù)雜的相互作用。本文將采用FDTD方法對電離層加熱過程中的Langmuir湍動開展數(shù)值仿真研究,主要研究內(nèi)容如下:1.電離層Langmuir湍動的FDTD數(shù)值仿真。本文將Maxwell方程組和等離子體流體方程聯(lián)立,建立起電磁波在電離層中傳播的數(shù)值模型,簡要分析了電離層等離子體中的色散關(guān)系,并給出了具體的FDTD迭代式。采用高緯度地區(qū)電離層加熱實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真,分析了電離層加熱激發(fā)Langmuir湍動效應(yīng)的過程中電磁場分布隨時間、高度的變化以及模式轉(zhuǎn)換情況,驗(yàn)證了該方法的可行性和正確性。2.等離子體背景下的FDTD連接邊界條件。根據(jù)電磁波在色散介質(zhì)中的傳播特性,基于惠更斯等效原理提出了以等離子體為背景的連接邊界條件,對引入到總場區(qū)的入射源進(jìn)行修正。通過算例分析了總場區(qū)的相干誤差以及散射場區(qū)的泄漏,驗(yàn)證了該連接邊界條件的有效性。3.FDTD算法的非均勻嵌套網(wǎng)格研究。由于電離層Langmuir湍動涉及到的電離層剖面、電磁波波長、激發(fā)的靜電波波長處于不同的數(shù)量級,在Courant-Friedrich-Lewy(CFL)穩(wěn)定性條件的限制下,采用均勻網(wǎng)格將導(dǎo)致計算效率嚴(yán)重降低。為了減少計算量、節(jié)約計算時間,本文研究了FDTD算法的非均勻嵌套網(wǎng)格,以電離層加熱的數(shù)值模型為例,詳細(xì)地討論了網(wǎng)格剖分原則以及不同尺寸網(wǎng)格間的場值轉(zhuǎn)換方法。在背景等離子體密度無空腔、有空腔的情況下,分別比較了非均勻嵌套網(wǎng)格和均勻細(xì)網(wǎng)格的仿真結(jié)果,驗(yàn)證了該網(wǎng)格的正確性;比較兩種網(wǎng)格的計算時間,結(jié)果表明非均勻嵌套網(wǎng)格法有效地提高了計算效率。最后結(jié)合等離子體背景下的連接邊界條件,對電離層Langmuir湍動的形成過程進(jìn)行FDTD數(shù)值模擬,不同時刻的電場分布情況和連接邊界在真空中、均勻細(xì)網(wǎng)格的計算結(jié)果一致。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P352;TN011.2
【部分圖文】：

波數(shù)1k0.1047m ，電子等離子體頻率 6 18.44 10 se 。根據(jù)等離子體中的色散方程，我們以標(biāo)畫出了色散關(guān)系圖，如圖 2.4 所示。從圖中可以看出波模，O 波、X 波和 Z 波。圖中藍(lán)色線為 O 波，其截e，當(dāng)pe 時，O 波可以傳播。紅色曲線 X 波和 Z 波， 它 們 的 截 止 頻 率 分 別 為 左 旋 、 右 旋 截2 2 6 1/ 4 36.12 10 spe ce ，2 2 / 2 / 4L ce pe ce 頻率等于各自的截止頻率時，將會分別發(fā)生反射。圖中夠大時，X 波和 O 波的色散曲線不斷向該虛線靠近，關(guān)系收斂于真空中電磁波的色散關(guān)系。

電離層 Langmuir 湍動的 FDTD 數(shù)值仿真研究子體中的折射率是不同的，入射波在電離層等離子體中傳播一段距離后化導(dǎo)致所合成的線偏振波的偏振面改變，發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，們可以看到電場 y 分量yE 和磁通量密度 x 分量xB ，并且它們的包絡(luò)形狀一致。

電離層 Langmuir 湍動的 FDTD 數(shù)值仿真研究子體中的折射率是不同的，入射波在電離層等離子體中傳播一段距離后化導(dǎo)致所合成的線偏振波的偏振面改變，發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，們可以看到電場 y 分量yE 和磁通量密度 x 分量xB ，并且它們的包絡(luò)形狀一致。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2830268