本文關(guān)鍵詞：月表鞘層特性及明暗界線區(qū)月塵懸浮的數(shù)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(gòu)卡死、關(guān)鍵部件磨損、熱控系統(tǒng)故障、密封機構(gòu)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(guān)于月表明暗界線區(qū)域鞘層電場結(jié)構(gòu)的研究較為缺乏。因此月表附近鞘層電場結(jié)構(gòu)以及明暗界線區(qū)域附近復(fù)雜電場結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬方法,研究了月表鞘層結(jié)構(gòu)的電場分布情況,基于模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)月表鞘層存在周期性振蕩現(xiàn)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(jié)構(gòu),根據(jù)研究得到的月表明暗界線區(qū)域電場結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)象(太陽風(fēng)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(xiàn)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(zhì)點網(wǎng)格法(PIC)的有限元數(shù)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(yuǎn)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(shù)值模擬方法�；谕晟频腎FE-PIC數(shù)值模擬工具對月表鞘層電場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,給出了空間飽和鞘層和經(jīng)典鞘層狀態(tài)下電場分布,密度分布,太陽風(fēng)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(jìn)行對比,進(jìn)一步驗證了數(shù)值方法的正確性,研究月表鞘層結(jié)構(gòu)的振蕩特性并且分析了月表鞘層振蕩結(jié)構(gòu)形成的物理機制。研究了太陽風(fēng)速度,光電子密度對經(jīng)典鞘層和空間飽和鞘層結(jié)構(gòu)的影響,分析了太陽風(fēng)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(jié)構(gòu),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(rèn)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?qū)е隆Ｒ罁?jù)月塵顆粒帶電受力的數(shù)學(xué)模型,基于月表明暗界線區(qū)域電場結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)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(jié)果能夠加深對月球表面空間等離子體環(huán)境的認(rèn)識,同時能夠?qū)μ皆禄顒拥暮教煸O(shè)備以及宇航員在月表行進(jìn)過程中遇到的月塵問題提供重要的理論支撐,進(jìn)一步推動探月工程的快速發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】：空間等離子體 月球 鞘層 IFE-PIC 月塵運動
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(xiàn)狀17-20
• 1.3 等離子體數(shù)值模擬方法現(xiàn)狀20-26
• 1.3.1 等離子體磁流體模擬方法研究現(xiàn)狀20-23
• 1.3.2 等離子體動力學(xué)模擬方法研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3.3 等離子體混合模擬方法研究現(xiàn)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(zhì)點網(wǎng)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(xiàn)狀26-28
• 1.4.2 質(zhì)點網(wǎng)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(nèi)容31-33
• 第2章 IFE-PIC數(shù)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(shù)學(xué)模型33-34
• 2.1.2 雙線性浸入式有限元空間構(gòu)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(shù)學(xué)模型37
• 2.2.2 界面階躍問題雙線性有限元空間構(gòu)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(yuǎn)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(jìn)49-62
• 2.4.1 傳統(tǒng)質(zhì)點網(wǎng)格法插值算法50-51
• 2.4.2 IFE-PIC改進(jìn)插值算法51-53
• 2.4.3 插值算法數(shù)值驗證53-59
• 2.4.4 插值算法綜合數(shù)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(shù)學(xué)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(shù)值例子驗證迭代算法64-70
• 2.6 本章小結(jié)70-72
• 第3章 月表鞘層電場結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬72-94
• 3.1 月表鞘層電場結(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)置76-78
• 3.2.2 邊界條件設(shè)置78-80
• 3.2.3 模擬結(jié)果及分析80-85
• 3.3 基于IFE-PIC方法模擬經(jīng)典鞘層85-90
• 3.3.1 模擬區(qū)域及參數(shù)設(shè)置85
• 3.3.2 模擬結(jié)果及分析85-90
• 3.4 月球表面鞘層結(jié)構(gòu)振蕩分析90-92
• 3.5 本章小結(jié)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(fēng)速度對鞘層結(jié)構(gòu)的影響94-102
• 4.1.1 太陽風(fēng)速度對經(jīng)典鞘層結(jié)構(gòu)的影響94-98
• 4.1.2 太陽風(fēng)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(jié)構(gòu)的影響102-112
• 4.2.1 光電子密度對經(jīng)典鞘層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)研究112-117
• 4.3.1 數(shù)值模型及參數(shù)設(shè)置112-114
• 4.3.2 計算結(jié)果與分析114-117
• 4.4 月球局部明暗交界區(qū)域鞘層結(jié)構(gòu)研究117-123
• 4.4.1 數(shù)值模型以及參數(shù)設(shè)置118
• 4.4.2 計算結(jié)果及分析118-123
• 4.5 明暗界線區(qū)域鞘層結(jié)構(gòu)振蕩分析123-126
• 4.6 本章小結(jié)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(shù)學(xué)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(jié)136-137
• 結(jié)論137-140
• 參考文獻(xiàn)140-149
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果149-152
• 致謝152-154
• 個人簡歷154

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

本文編號：260637