最新整理等离子体粒子模拟及应用.ppt

有限大小粒子对碰撞的影响
考虑点粒子时,粒子之间的作用力随距离增加变小, 两粒子无限近时作用力无穷大。
考虑有限大小粒子，当它们相距远时，和点粒子时 一样。当两粒子开始重合时，作用力开始下降，当 两粒子完全重合时，它们之间的作用力降到零。
效果：不改变远程相互作用，保留集体相互作用， 大大降低近距离碰撞。
L D 电中性条件
ND 1 集体相互作用条件
p 1 碰撞足够少
另外
p
ND பைடு நூலகம்n ND
等离子体模拟的方法
• MHD模拟 • 直接求解Vlasov方程 • 粒子模拟
粒子模拟方法概述
粒子在空面中运动，而电场和电荷电流密 度等物理量分配在网格点上。一般的计算 步骤如下：①根据粒子所在的具体位置求 得其对周围网格点的电荷和电流的贡献， 当所有粒子的贡献相加后即得到网格的电 荷密度和电流密度，②求解Maxwell方程 即得网格点上的电磁场, ③通过插值得到 离子和电子处的电磁场，④粒子在 Lorentz力的作用下运动。不断循环以上 过程，即可求解物理问题。
，对半
一些定量的结果
● 二维情况 点粒子： 1
pe 16ND
有限大小粒子： R 有限大小粒子，Rpe 1106N1D
，对半径 a D 为的
● 三维情况
点粒子： 1 •ln(37.7ND) pe 113.1 ND
有限大小粒子： pe11 1 3.1•R (a N ,D N D )ln(37.7N D ) 径 a D 为的有限大小粒子，R101
• 基本理论
主要内容
• 静电模型及其应用
• 电磁模型及其应用
• 其他模型及其应用
第一章 绪论
●什么是等离子体？ 集体相互作用、准中性
●等离子体的基本参数
德拜长度
D
kT
(4n0e2
)1
2
等离子体频率 p
(4ne2
m
)1 2
电子回旋频率
e
eB mc
等离子体参量 ND
4 3
D3
n
等离子体维持的条件
··
·
·
·
·
·
·
·
·
Particles in anywhere<===>Fields in Grids interpolation
Solve particles and fields self-consistently
和MHD模拟的不同之处
MHD是流体的观点，假定粒子速度分布满 足Maxwell分布。空间等离子体非常稀薄， 这意味着时间足够长或空间区域足够长。 粒子模拟可假定粒子满足任何分布，有更 强的物理基础。它的限制来自算法，适合 时间尺度比较短（离子回旋周期），空间 尺度不太大（离子惯性长度）。
参考书目
● 中文：
1、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社,2002） 2、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋，安徽科学 技术出版社, 1995）
●英文：
1. Plasma Physics via Computer Simulation (C. K. Birdsall and A. B. Langdon, New York:McGraw-Hill ) 2. Computer Simulation using Particles (Hockney and Eastwood, New York:McGraw-Hill).
粒子模拟的历史
• Buneman(1959),Dawson(1962),点粒子 • Birdsall,粒子云的概念 • 70年代，多维模拟 • 90年代，并行计算
粒子模拟的一些概念
• 维数
1 2 ，2 1 ，3 22
• 不同模型
超粒子和粒子云的概念
kT NkT ND ND / N
一个超粒子代表N个性质一样的真实的点粒子，这 样的主要结果是减少了等离子体参量 N D ，人为增 加了碰撞的效应，用有一定大小的粒子云的概念可 减少碰撞效应。