發(fā)布時間：2017-03-22 01:42

  本文關鍵詞：月表鞘層特性及明暗界線區(qū)月塵懸浮的數值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：航天器以及宇航員在月球探測過程中因為懸浮月塵會遇到許多困難,例如：機械機構卡死、關鍵部件磨損、熱控系統(tǒng)故障、密封機構失效、敏感材料失效等。因此月表附近月塵懸浮機理的研究顯得尤為重要,靜電輸運是小顆粒月塵懸浮的主要原因,月表附近尤其是明暗界線區(qū)域附近會形成很強的電場,而關于月表明暗界線區(qū)域鞘層電場結構的研究較為缺乏。因此月表附近鞘層電場結構以及明暗界線區(qū)域附近復雜電場結構的研究對于月塵懸浮機理的研究具有十分重要的意義。本文通過建立基于IFE-PIC方法的全粒子有限元數值模擬方法,研究了月表鞘層結構的電場分布情況,基于模擬結果發(fā)現月表鞘層存在周期性振蕩現象,分析了鞘層電場的振蕩特性及原因；模擬研究了月球表面明暗界線區(qū)域附近電場結構,根據研究得到的月表明暗界線區(qū)域電場結構研究月塵懸浮過程的物理機理,分析了振蕩鞘層對月塵懸浮的影響。本文的主要研究內容如下：鑒于處于空間等離子體中的月球存在表面電荷沉積現象(太陽風等離子體沉積、月表光電子發(fā)射等),建立了能夠捕獲界面電荷沉積現象的界面階躍雙線性浸入式有限元方法,并且基于此方法建立了一套基于界面階躍雙線性浸入式有限元方法(IFE)和質點網格法(PIC)的有限元數值仿真程序。研究了IFE-PIC方法模擬空間等離子體運動過程中的邊界問題,解決了無窮遠邊界條件以及周期性邊界條件,提出了與傳統(tǒng)PIC插值算法不同的IFE-PIC插值算法,研究了基于界面電荷總量的界面階躍問題的迭代IFE方法,完善了IFE-PIC有限元數值模擬方法。基于完善的IFE-PIC數值模擬工具對月表鞘層電場結構進行了研究,給出了空間飽和鞘層和經典鞘層狀態(tài)下電場分布,密度分布,太陽風氫離子和電子密度分布以及光電子密度的空間分布情況,并與理論研究進行對比,進一步驗證了數值方法的正確性,研究月表鞘層結構的振蕩特性并且分析了月表鞘層振蕩結構形成的物理機制。研究了太陽風速度,光電子密度對經典鞘層和空間飽和鞘層結構的影響,分析了太陽風速度以及光電子密度發(fā)生改變時對月表振蕩鞘層的影響；模擬研究了月球晨昏線附近明暗界線區(qū)域和月球局部明暗交界區(qū)域鞘層電場結構,分析了明暗界線區(qū)域中光照區(qū)域的振蕩鞘層對陰暗區(qū)域的影響,認為陰暗區(qū)域的鞘層振蕩為光照區(qū)域的等離子體水平運動至陰暗區(qū)域導致。依據月塵顆粒帶電受力的數學模型,基于月表明暗界線區(qū)域電場結構的數值模擬結果研究在不同月表區(qū)域下的明暗交界區(qū)域中月塵顆粒的懸浮過程,研究了月表鞘層電勢發(fā)生振蕩時對帶電懸浮月塵的影響。通過研究了解了月塵在鞘層靜電場中帶電懸浮的過程,并提出搭建實驗平臺的初步方案。通過本文的研究結果能夠加深對月球表面空間等離子體環(huán)境的認識,同時能夠對探月活動的航天設備以及宇航員在月表行進過程中遇到的月塵問題提供重要的理論支撐,進一步推動探月工程的快速發(fā)展。
【關鍵詞】：空間等離子體 月球 鞘層 IFE-PIC 月塵運動
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P184.5
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第1章 緒論13-33
• 1.1 課題背景及研究意義13-17
• 1.2 月表電場及月塵運動研究現狀17-20
• 1.3 等離子體數值模擬方法現狀20-26
• 1.3.1 等離子體磁流體模擬方法研究現狀20-23
• 1.3.2 等離子體動力學模擬方法研究現狀23-25
• 1.3.3 等離子體混合模擬方法研究現狀25-26
• 1.3.4 月球明暗界線區(qū)域模擬方法26
• 1.4 浸入式有限元質點網格法(IFE-PIC)求解方法概述26-31
• 1.4.1 浸入式有限元方法概述及研究現狀26-28
• 1.4.2 質點網格方法概述28-31
• 1.4.3 IFE-PIC方法計算流程31
• 1.5 本文的主要研究內容31-33
• 第2章 IFE-PIC數值計算模型的建立及完善33-72
• 2.1 雙線性浸入式有限元方法33-36
• 2.1.1 界面問題的數學模型33-34
• 2.1.2 雙線性浸入式有限元空間構造34-36
• 2.1.3 有限元伽遼金方法36
• 2.2 界面階躍雙線性浸入式有限元方法36-38
• 2.2.1 界面階躍問題的數學模型37
• 2.2.2 界面階躍問題雙線性有限元空間構造37
• 2.2.3 界面階躍問題有限元伽遼金方法37-38
• 2.3 浸入式有限元方法邊界條件38-49
• 2.3.1 無窮遠邊界條件39-44
• 2.3.2 周期性邊界條件44-49
• 2.4 IFE-PIC插值算法的改進49-62
• 2.4.1 傳統(tǒng)質點網格法插值算法50-51
• 2.4.2 IFE-PIC改進插值算法51-53
• 2.4.3 插值算法數值驗證53-59
• 2.4.4 插值算法綜合數值模擬59-62
• 2.5 基于界面電荷總量的界面階躍問題的迭代IFE方法62-70
• 2.5.1 數學模型62-63
• 2.5.2 基于界面總電量的迭代算法63-64
• 2.5.3 數值例子驗證迭代算法64-70
• 2.6 本章小結70-72
• 第3章 月表鞘層電場結構數值模擬72-94
• 3.1 月表鞘層電場結構理論研究72-76
• 3.1.1 捕獲電子的電荷密度分布72-74
• 3.1.2 泊松方程的無量綱化74-75
• 3.1.3 邊界條件75-76
• 3.2 基于IFE-PIC方法模擬空間飽和鞘層76-85
• 3.2.1 模擬區(qū)域及無量綱參數設置76-78
• 3.2.2 邊界條件設置78-80
• 3.2.3 模擬結果及分析80-85
• 3.3 基于IFE-PIC方法模擬經典鞘層85-90
• 3.3.1 模擬區(qū)域及參數設置85
• 3.3.2 模擬結果及分析85-90
• 3.4 月球表面鞘層結構振蕩分析90-92
• 3.5 本章小結92-94
• 第4章 月表鞘層演化及明暗界線區(qū)域鞘層分析94-128
• 4.1 太陽風速度對鞘層結構的影響94-102
• 4.1.1 太陽風速度對經典鞘層結構的影響94-98
• 4.1.2 太陽風速度對空間飽和鞘層的影響98-102
• 4.2 光電子密度對鞘層結構的影響102-112
• 4.2.1 光電子密度對經典鞘層結構的影響102-108
• 4.2.2 光電子密度對空間飽和鞘層的影響108-112
• 4.3 月球晨昏線附近明暗交界區(qū)域鞘層結構研究112-117
• 4.3.1 數值模型及參數設置112-114
• 4.3.2 計算結果與分析114-117
• 4.4 月球局部明暗交界區(qū)域鞘層結構研究117-123
• 4.4.1 數值模型以及參數設置118
• 4.4.2 計算結果及分析118-123
• 4.5 明暗界線區(qū)域鞘層結構振蕩分析123-126
• 4.6 本章小結126-128
• 第5章 明暗界線區(qū)域月塵懸浮運動特性的研究128-137
• 5.1 月塵顆粒帶電的數學模型128-130
• 5.2 月球晨昏線附近明暗界線區(qū)域月塵顆粒運動研究130-133
• 5.3 鞘層振蕩對月塵懸浮過程影響分析133-136
• 5.4 本章小結136-137
• 結論137-140
• 參考文獻140-149
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文及其它成果149-152
• 致謝152-154
• 個人簡歷154

  本文關鍵詞：月表鞘層特性及明暗界線區(qū)月塵懸浮的數值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：260637