柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟

摘要

本文研究了柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟。 在第二章，基于包含能量输运过程的二维磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，简称MHD)理论，对柱状长导通POS中导通阶段进行了模拟。结果发现：高密度POS的导通机制是MHD机制，主要是磁压作用决定磁场的穿透过程。在磁场的穿透过程中，磁压使得等离子体在磁场穿透的区域出现密度薄化现象，在磁场激波前沿形成密度激波。同时，由磁压导致的压缩效应使得激波区域的等离子体温度迅速升高。而对于低密度的POS，其导通机制是Hall MHD机制，主要由Hall效应来决定磁场的穿透过程。由于磁压的作用很小，在磁场的穿透过程中并没有出现密度薄化现象，形成的密度激波也不明显，等离子体的温度也没有显著升高。对于低密度长导通的POS，主要是焦耳热的作用使得等离子体的温度上升。考虑能量输运后产生的温度梯度力，对高密度POS中的磁场穿透过程有显著的加速作用，而对于低密度POS中的磁场穿透过程影响不大。 在第三章，基于MHD理论，推导出高密度长导通POS中能量分配关系的一般表示式，并研究了不同的输入电流波形对能量分配关系的影响。模拟结果表明，当发生器中的电流波形是常电流时，有一半的电磁场能耗散为等离子体的内能和动能；当发生器中的电流波形是线性上升电流时，进来的电磁场能有三分之二转化为磁场能；当发生器中的电流波形是正弦电流波形时，有大半的能量转化为磁场能，扩散到等离子体中的能量只为总能量的36.4％。由于等离子体温度显著升高，有相当多的电磁场能转化为等离子体的内能。 在第四章，为了检验程序的可靠性，对长导通POS中的定标关系进行了模拟。首先将模拟结果与理论得到的定标关系进行比较，发现两者是一致的。接着又进一步对HAWK装置中的定标关系进行了模拟，发现模拟结果和实验结果也是吻合的，从而验证了模拟程序的可靠性。本文还在模拟中，把POS右边的真空区包含进来，对在最近的纯氢实验中观察到与传统的定标关系不符的现象给出了的解释。在模拟中发现，漂移到POS下游区的等离子体可显著延长POS的导通时间。考虑下游区等离子体的影响后得到的定标关系，和实验比较相符。 在第五章，基于双流体理论，假设电子和离子的温度在导通过程中是恒定的，建立了二维双流体程序，对短导通POS的导通阶段进行了模拟。模拟结果表明：随着POS的导通，出现明显的电荷分离现象，电子从阴极向阳极运动的轨迹象一个S型，在阳极表面形成堆积。在模拟中还观察到明显的轻重离子分离现象。由于轻离子的质量远小于重离子，轻离子的运动的远比重离子快，最终轻离子在磁场前面被反射，而重离子被磁场所穿透。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1等离子体断路开关的发展历史回顾

1.1.1等离子体断路开关的诞生

1.1.2等离子体断路开关在脉冲功率驱动器中的应用

1.1.3最新进展

1.1.4国内研究现状

1.2等离子体断路开关的结构和工作原理

1.2.1等离子体断路开关的结构

1.2.2等离子体断路开关的工作原理

1.3等离子体断路开关中复杂的物理现象

1.3.1磁场在等离子体中的快速穿透现象

1.3.2 POS中等离子体薄化和密度激波现象

1.3.3 POS导通过程中轻重离子分离现象

1.4等离子体断路开关导通和断开的物理机制

1.4.1 POS的增强融蚀模型

1.4.2电子磁流体动力学模型

1.4.3磁流体动力学模型

1.5本文的研究目的和内容安排

1.5.1研究目的

1.5.2内容安排

2长导通POS导通阶段的MHD模拟

2.1引言

2.2基本模型

2.2.1基本方程：单流体理论

2.2.2边界条件

2.2.3数值方法

2.3结果和讨论

2.3.1高密度POS(n0=1016 cm-3)

2.3.2低密度POS(n0=1013 cm-3)

2.4能量输运对磁场穿透过程的影响

2.4.1高密度POS

2.4.2低密度POS

2.5小结

3长导通POS中的能量平衡过程

3.1引言

3.2理论模型

3.3结果和讨论

3.3.1发生器波形是常电流的情况

3.3.2发生器波形是线性上升电流的情况

3.3.3发生器波形是正弦电流的情况

3.4小结

4长导通POS中的定标关系

4.1 MHD机制下定标关系的推导

4.2对定标关系的模拟

4.3纯氢的不同：下游等离子体对定标关系的影响

4.3.1引言

4.3.2研究方法

4.3.3结果和讨论

4.4小结

5短导通POS中导通过程的双流体模拟

5.1引言

5.2双流体模型

5.2.1基本的双流体方程

5.2.2边界条件和初始条件

5.2.3数值方法

5.3结果与讨论

5.3.1短导通POS中的基本物理过程

5.3.2轻重离子分离现象的研究

5.4小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致 谢