柱狀等離子體斷路開關(guān)的磁流體動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、本文研究了柱狀等離子體斷路開關(guān)的磁流體動(dòng)力學(xué)模擬。 在第二章，基于包含能量輸運(yùn)過(guò)程的二維磁流體動(dòng)力學(xué)(Magnetohydrodynamics，簡(jiǎn)稱MHD)理論，對(duì)柱狀長(zhǎng)導(dǎo)通POS中導(dǎo)通階段進(jìn)行了模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：高密度POS的導(dǎo)通機(jī)制是MHD機(jī)制，主要是磁壓作用決定磁場(chǎng)的穿透過(guò)程。在磁場(chǎng)的穿透過(guò)程中，磁壓使得等離子體在磁場(chǎng)穿透的區(qū)域出現(xiàn)密度薄化現(xiàn)象，在磁場(chǎng)激波前沿形成密度激波。同時(shí)，由磁壓導(dǎo)致的壓縮效應(yīng)使得激波區(qū)域的等離子體溫度

2、迅速升高。而對(duì)于低密度的POS，其導(dǎo)通機(jī)制是Hall MHD機(jī)制，主要由Hall效應(yīng)來(lái)決定磁場(chǎng)的穿透過(guò)程。由于磁壓的作用很小，在磁場(chǎng)的穿透過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)密度薄化現(xiàn)象，形成的密度激波也不明顯，等離子體的溫度也沒(méi)有顯著升高。對(duì)于低密度長(zhǎng)導(dǎo)通的POS，主要是焦耳熱的作用使得等離子體的溫度上升?？紤]能量輸運(yùn)后產(chǎn)生的溫度梯度力，對(duì)高密度POS中的磁場(chǎng)穿透過(guò)程有顯著的加速作用，而對(duì)于低密度POS中的磁場(chǎng)穿透過(guò)程影響不大。 在第三章，基于M

3、HD理論，推導(dǎo)出高密度長(zhǎng)導(dǎo)通POS中能量分配關(guān)系的一般表示式，并研究了不同的輸入電流波形對(duì)能量分配關(guān)系的影響。模擬結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生器中的電流波形是常電流時(shí)，有一半的電磁場(chǎng)能耗散為等離子體的內(nèi)能和動(dòng)能；當(dāng)發(fā)生器中的電流波形是線性上升電流時(shí)，進(jìn)來(lái)的電磁場(chǎng)能有三分之二轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能；當(dāng)發(fā)生器中的電流波形是正弦電流波形時(shí)，有大半的能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，擴(kuò)散到等離子體中的能量只為總能量的36.4％。由于等離子體溫度顯著升高，有相當(dāng)多的電磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為等離

4、子體的內(nèi)能。 在第四章，為了檢驗(yàn)程序的可靠性，對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)通POS中的定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行了模擬。首先將模擬結(jié)果與理論得到的定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者是一致的。接著又進(jìn)一步對(duì)HAWK裝置中的定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是吻合的，從而驗(yàn)證了模擬程序的可靠性。本文還在模擬中，把POS右邊的真空區(qū)包含進(jìn)來(lái)，對(duì)在最近的純氫實(shí)驗(yàn)中觀察到與傳統(tǒng)的定標(biāo)關(guān)系不符的現(xiàn)象給出了的解釋。在模擬中發(fā)現(xiàn)，漂移到POS下游區(qū)的等離子體可顯著延長(zhǎng)POS的導(dǎo)

5、通時(shí)間?？紤]下游區(qū)等離子體的影響后得到的定標(biāo)關(guān)系，和實(shí)驗(yàn)比較相符。 在第五章，基于雙流體理論，假設(shè)電子和離子的溫度在導(dǎo)通過(guò)程中是恒定的，建立了二維雙流體程序，對(duì)短導(dǎo)通POS的導(dǎo)通階段進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明：隨著POS的導(dǎo)通，出現(xiàn)明顯的電荷分離現(xiàn)象，電子從陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的軌跡象一個(gè)S型，在陽(yáng)極表面形成堆積。在模擬中還觀察到明顯的輕重離子分離現(xiàn)象。由于輕離子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于重離子，輕離子的運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)比重離子快，最終輕離子在磁場(chǎng)前面被反射