發(fā)布時(shí)間：2020-06-24 17:07

【摘要】：在對(duì)熱等離子體中發(fā)生的物理化學(xué)過程的研究和預(yù)測(cè)過程中,數(shù)值模擬通常扮演了一個(gè)很重要的角色,而數(shù)值模擬研究的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于準(zhǔn)確的輸運(yùn)系數(shù)和自洽的控制方程。本文的主要工作是開展非平衡熱等離子體輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究,給出與控制方程自洽的輸運(yùn)系數(shù)的準(zhǔn)確的計(jì)算公式,并編寫相應(yīng)的程序代碼進(jìn)行計(jì)算。 目前主要有兩種理論方法來計(jì)算雙溫度等離子體的輸運(yùn)系數(shù)：Devoto解耦方法和Rat完全耦合方法。Devoto解耦方法忽略電子和重粒子之間的耦合,將它們作為相互孤立的體系來處理；計(jì)算簡(jiǎn)單,但電子和重粒子間的擴(kuò)散被忽略,得到的擴(kuò)散系數(shù)并不完備,也不能夠滿足質(zhì)量守恒定律。Rat完全耦合方法不作任何簡(jiǎn)化處理以保持電子和重粒子間的耦合,雖然可以得到準(zhǔn)確完備的擴(kuò)散系數(shù),但其不足之處在于,計(jì)算過于復(fù)雜使得計(jì)算工作量過大。針對(duì)上述理論存在的缺點(diǎn),本論文從基本的動(dòng)理論出發(fā),重新修正了Chapman-Enskog方法以求解粒子波爾茲曼方程,進(jìn)而建立了新的計(jì)算非平衡等離子體輸運(yùn)系數(shù)的方法,給出了相應(yīng)的系數(shù)表達(dá)式。眾所周知,電子和重粒子二者的質(zhì)量比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一,基于此我們?cè)谛碌姆椒ǖ睦碚撏茖?dǎo)過程中,對(duì)粒子波爾茲曼方程進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。但不同于解耦方法,我們保留了重粒子波爾茲曼方程中的電子和重粒子的碰撞積分項(xiàng),從而保持了兩個(gè)子體系之間的耦合。這樣我們既能夠得到準(zhǔn)確的輸運(yùn)系數(shù),特別是擴(kuò)散系數(shù),而相比于Devoto解耦方法計(jì)算的復(fù)雜性并沒有增加,也就是說與Rat完全耦合方法相比,計(jì)算過程十分簡(jiǎn)單。之后我們應(yīng)用新的方法計(jì)算得到了大氣壓下雙溫度氬等離子體在電子溫度為300-30000K范圍內(nèi)的輸運(yùn)系數(shù),并將計(jì)算結(jié)果同其他方法進(jìn)行了詳細(xì)的比較和分析,驗(yàn)證了新方法的正確性。 另一方面,數(shù)值研究中所采用的輸運(yùn)性質(zhì)的定義是否與控制方程中的各輸運(yùn)通量的定義保持一致,是能否得到準(zhǔn)確可信的研究結(jié)果的關(guān)鍵。由于對(duì)非平衡等離子輸運(yùn)理論和控制方程的研究通常是分開的,這使得輸運(yùn)系數(shù)的研究者不得不去定義雙溫度的反應(yīng)熱導(dǎo)率和定壓比熱,而這二者在多溫度體系中是很難給出其明確的物理意義,所以目前對(duì)他們的定義存在很大的爭(zhēng)議。這種分開研究也使得許多研究者采用的控制方程與他們選用的輸運(yùn)系數(shù)并不自洽。本論文采用同樣的修正的Chapman-Enskog方法求解波爾茲曼方程,特別是采用與輸運(yùn)理論完全一致的輸運(yùn)通量的定義,得到了非平衡等離子體的控制方程。從而建立了完備自洽的描述非平衡等離子體的物理數(shù)學(xué)模型,更重要的完備自洽的模型避免了雙溫度反應(yīng)熱導(dǎo)率以及雙溫度定壓比熱的定義。 組合擴(kuò)散系數(shù)作為對(duì)多組分?jǐn)U散系數(shù)的準(zhǔn)確處理,被廣泛的應(yīng)用在許多等離子體數(shù)值模擬研究中,它大大的簡(jiǎn)化了等離子體擴(kuò)散過程的模擬。然而之前的研究只是針對(duì)處于局域熱力學(xué)平衡(LTE)下的、雙氣體混合的等離子體體系,基于此,我們首先將組合擴(kuò)散的概念推廣到LTE下三氣體混合體系,并且計(jì)算了氦氣-氬氣-碳三種氣體混合的等離子體的組合擴(kuò)散系數(shù),分析了其隨溫度以及氣體相對(duì)濃度變化的規(guī)律。最后得益于我們新的輸運(yùn)系數(shù)計(jì)算方法可以得到完備準(zhǔn)確的擴(kuò)散系數(shù),我們給出了雙溫度雙氣體組合擴(kuò)散系數(shù)的表達(dá)式。 基于上述研究,我們建立了完備自洽的物理數(shù)學(xué)模型(包括輸運(yùn)性質(zhì)和控制方程),以描述非平衡熱等離子體的物理化學(xué)過程。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O53
【圖文】：

Method A給出的結(jié)果與Method B非常吻合。圖4.4給出的是不同方法計(jì)算得到的雙溫度l#等離子體粘性系數(shù)。如圖所示，對(duì)不同—下的粘性系數(shù)，均隨著電子溫度的升高而上升，直至電離反應(yīng)大量發(fā)生（電子溫度大約在10 000 K)。隨著電子溫度的進(jìn)一步升高，粘性系數(shù)迅速下降，這是由于帶電粒子間長(zhǎng)程的庫倫作用勢(shì)越來越重要，而對(duì)給定的溫度下，粘性系數(shù)近似正比于。給定電子溫度，粘性系數(shù)會(huì)隨著賄的升高而降低，3.0, Method: A B C25: — ° ?N。. ￡ ^ " = 2 □ ■/o > 0-?i ^2.0 - / \ f} = 5 --: f \ "=1()S

本文編號(hào)：2728142