利用PIC模拟等离子体中电磁波传输

摘要

飞行器在大气层中超高速飞行时，飞行器表面由于剧烈的摩擦作用会产生一层等离子体层，称为等离子体“鞘套”。该等离子体层与入射电磁波之间存在着丰富的相互作用，如吸收、衰减、反射、折射等。从积极的角度来说，可以利用等离子体鞘套对入射电磁波的相互作用进行等离子体隐身；从消极的角度来说，该等离子体鞘套严重妨碍了地面指挥中心与飞行器之间的实时通信。
　　随着计算机硬件及计算技术的发展，Particle in cell（PIC）方法在等离子体数值模拟中使用得越来越广泛。PIC方法为第一性原理出发，不同于通常数值模拟中的宏观上的方程，而是使用最基本的电磁学规律——麦克斯韦方程组，和最基础的力学规律——洛伦兹力方程与牛顿运动方程，对等离子体中的大量粒子进行运动轨迹的计算，最后根据粒子在坐标、速度的六维相空间中的分布，进行统计平均，得到等离子体的宏观性质。因此PIC方法可以认为是一种理论上的实验，适合研究物理本质问题。
　　本文使用PIC方法研究了入射电磁波在等离子体鞘套中的能量吸收、反射规律。首先介绍了PIC这种等离子体数值模拟方法的基本流程，包括PIC的基本假设、离散空间内电磁场分量和电流电荷密度的计算、粒子推进方法、PIC模拟方法的改进等；其次对飞行器表面的等离子体鞘套进行模拟简化建模，包括模拟区域、粒子初始分布、模拟区域的边界条件设定等；最后给出了不同条件下的等离子体鞘套，对入射电磁波能量的吸收与反射的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 Particle In Cell基本原理

2.1 PIC基本流程

2.2 宏粒子及有限大小粒子模型

2.3 电磁场FDTD算法

2.4 粒子分配至网格

2.5 粒子推进

2.6 PIC模拟方法改进

2.7 本章小结

第3章 电磁波在等离子体鞘套中传输建模

3.1 等离子体鞘套几何形状建模

3.2 粒子密度分布函数

3.3 边界条件

3.4 激励源设置

3.5 本章小结

第4章 电磁波在等离子体鞘套中的传播模拟

4.1 解析解

4.2 电磁波入射非磁化等离子体

4.3 电磁波入射磁化等离子体

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢