復(fù)雜邊界條件下靜電探針在等離子體中的熱力學(xué)模擬.pdf

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，對(duì)能量的需求量在急劇增加，統(tǒng)觀目前存在的種種能源，不是蘊(yùn)藏量有限就是因?yàn)檫@樣或那樣的缺點(diǎn)而不能滿足人類長(zhǎng)期的能量需求?，F(xiàn)在，開(kāi)發(fā)和利用新的能源已追在眉睫，一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的新能源便是受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)能。所謂受控?zé)岷司圩?，就是在人工控制的條件下將一團(tuán)輕元素在高溫等離子體態(tài)下約束足夠長(zhǎng)時(shí)間聚合成較重的原子核的反應(yīng)。核反應(yīng)時(shí)能釋放大量的能量。為了利用熱核聚變能，必須研究能被人們控制的熱核聚變反應(yīng)，也即受控?zé)?/p>

2、核聚變反應(yīng)。受控?zé)岷司圩兪且粋€(gè)綜合性的研究課題，它促成了高溫等離子體物理學(xué)科，還帶動(dòng)和發(fā)展了諸如大體積高真空和超高真空技術(shù)，這些高技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)都息息相關(guān)。這些技術(shù)的水平在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)和科技的發(fā)展程度。
　　 我們已經(jīng)知道，核聚變就是要將兩個(gè)原子核結(jié)合在一起變成較重的核。為了使兩個(gè)原子核靠近結(jié)合成新核。必須克服兩核之間的庫(kù)侖斥力，也就是說(shuō)，原子核必須具有足夠大的動(dòng)能來(lái)沖過(guò)兩核間的庫(kù)侖位壘。因此，要使

3、聚變反應(yīng)能有效產(chǎn)生，以做成有用的能源，必須先將核燃料加熱到高溫，這種在高溫條件下進(jìn)行的聚變反應(yīng)，稱為熱核聚變，通常必須將原子核加熱到幾億度以上。我們知道，隨著溫度的升高，物質(zhì)會(huì)從固態(tài)變成液態(tài)和氣態(tài)，如果溫度再進(jìn)一步升高，就會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的中性粒子產(chǎn)生電離，分離成電子和離子，人們把這種電子和離子各自電荷大致相等的高溫氣態(tài)物質(zhì)，稱為等離子體。如何約束住如此高溫的等離子體，我們用到了托卡馬克磁約束裝置，前蘇聯(lián)的塔姆和薩哈羅夫、美國(guó)的斯必澤分別獨(dú)

4、立地提出了以下的思想：在環(huán)形磁場(chǎng)(以后稱為縱場(chǎng))上再加一個(gè)沿環(huán)截面方向的磁場(chǎng)(以后稱為極向場(chǎng))，由這兩個(gè)磁場(chǎng)合成為沿大環(huán)方向、具有大螺距的螺旋磁場(chǎng)，利用螺旋磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)變換持性來(lái)約束等離子體。
　　 為了托卡馬克裝置的優(yōu)化和獲得高性能的等離子體，例如高的中心密度和溫度，好的芯部約束等，邊緣等離子體和中心等離子體的同時(shí)控制是很重要的。因此，邊緣等離子體參數(shù)的測(cè)量對(duì)研究中心等離子體是很重要的，這就可以用到朗繆爾靜電探針。靜電探針(亦稱

5、為朗繆爾探針)是最早被用來(lái)測(cè)定等離子體特性的一種診斷工具。靜電探針理論是相當(dāng)復(fù)雜的，不過(guò)在簡(jiǎn)單的條件下可以對(duì)探針的伏安特性曲線作出簡(jiǎn)明的解釋，從而可以根據(jù)其伏安特性導(dǎo)出等離子體電子溫度、密度和空間電位等重要參數(shù)而且它結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，并具有一定的空間分辨能力。
　　 要達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果和節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，考慮到現(xiàn)有比較成熟的仿真軟件ANSYS及其表現(xiàn)在熱力學(xué)分析方面的高可靠性，可以嘗試在不同條件下建模，包括材料的選取和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，分別

6、計(jì)算出結(jié)果，把結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，歸納出一般規(guī)律，總結(jié)出一套最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)也可適當(dāng)?shù)膬?yōu)化邊界條件，使其盡可能逼近現(xiàn)實(shí)狀況，可達(dá)到更可靠的模擬效果。通過(guò)仿真能精確指導(dǎo)探針在材料，參數(shù)，和結(jié)構(gòu)各方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化探針在實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量。
　　 本文主要研究?jī)?nèi)容是使用ANSYS軟件對(duì)靜電探針置入等離子體后的熱力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析在不同條件下靜電探針經(jīng)受等離子體熱轟擊和輻射時(shí)的熱力學(xué)問(wèn)題。
　　 本文系統(tǒng)分析了復(fù)雜邊界條

7、件對(duì)靜電探針熱狀態(tài)的影響，設(shè)置了合適的載荷步計(jì)算出探針在整個(gè)等離子體脈沖下的熱力學(xué)狀態(tài)，尤其詳盡分析和歸納了靜電探針在時(shí)變脈沖載荷作用下整個(gè)時(shí)間過(guò)程的熱狀態(tài)變化規(guī)律。
　　 本文重點(diǎn)研究了靜電探針中兩種熱性能差異較大材料之間存在的接觸作用，分析了材料之間的接觸熱阻對(duì)探針整體熱狀態(tài)影響和接觸作用對(duì)熱力耦合狀態(tài)的影響，根據(jù)計(jì)算設(shè)置可靠的接觸熱阻，多次修正模擬以達(dá)到和實(shí)際情況匹配。
　　 本文不僅研究了靜電探針在等離子體脈沖轟