Plazmové modelování - Plasma modeling

Plazmové modelování odkazuje na řešení pohybové rovnice které popisují stav a plazma. Obvykle je spojen s Maxwellovy rovnice pro elektromagnetické pole nebo Poissonova rovnice pro elektrostatická pole. Existuje několik hlavních typů plazmových modelů: jednotlivé částice, kinetické, tekuté, hybridní kinetické / tekuté, gyrokinetické a jako systém mnoha částic.

Popis jedné částice

Model jedné částice popisuje plazmu jako jednotlivé elektrony a ionty pohybující se v uloženém (spíše než konzistentním) elektrickém a magnetickém poli. Pohyb každé částice je tedy popsán pomocí Lorentzův zákon o síle V mnoha případech praktického zájmu lze tento pohyb považovat za superpozici relativně rychlého kruhového pohybu kolem bodu zvaného naváděcí centrum a relativně pomalý posun tohoto bodu.

Kinetický popis

Kinetický model je nejzákladnějším způsobem, jak popsat plazmu, a výsledkem je a distribuční funkce

${displaystyle f ({vec {x}}, {vec {v}}, t)}$

kde nezávislé proměnné ${displaystyle {vec {x}}}$ a ${displaystyle {vec {v}}}$ jsou pozice a rychlost Kinetický popis je dosažen řešením Boltzmannova rovnice nebo, když je správný popis dlouhého dosahu Coulombova interakce je nutné, tím Vlasovova rovnice který obsahuje soběstačné kolektivní elektromagnetické pole, nebo Fokker-Planckova rovnice, ve kterých byly k odvození zvládnutelných kolizních podmínek použity aproximace. Poplatky a proudy produkované distribučními funkcemi samy o sobě určují elektromagnetická pole pomocí Maxwellovy rovnice.

Popis kapaliny

Aby se snížila složitost kinetického popisu, popisuje fluidní model plazmu na základě makroskopických veličin (rychlostní momenty distribuce, jako je hustota, střední rychlost a střední energie). Rovnice pro makroskopické veličiny, nazývané rovnice tekutin, se získají z rychlostních momentů Boltzmannova rovnice nebo Vlasovova rovnice. Tekuté rovnice nejsou uzavřeny bez stanovení transportních koeficientů, jako je mobilita, difúzní koeficient, zprůměrované srážkové frekvence atd. K určení transportních koeficientů je třeba předpokládat / zvolit funkci distribuce rychlosti. Ale tento předpoklad může vést k selhání zachycení nějaké fyziky.

Popis hybridní kinetiky / kapaliny

I když kinetický model popisuje fyziku přesně, je složitější (a v případě numerických simulací výpočetně náročnější) než fluidní model. Hybridní model je kombinací fluidních a kinetických modelů, přičemž s některými komponentami systému zachází jako s tekutinami a s jinými kineticky.

Gyrokinetický popis

V gyrokinetický model, což je vhodné pro systémy se silným magnetickým polem pozadí, jsou kinetické rovnice zprůměrovány rychlým kruhovým pohybem gyroradius. Tento model byl široce používán pro simulaci tokamak nestability plazmy (například GYRO a Gyrokinetická elektromagnetická kódy) a nověji v astrofyzikálních aplikacích.

Kvantově mechanické metody

Kvantové metody nejsou v plazmovém modelování dosud příliš běžné. Mohou být použity k řešení jedinečných problémů modelování; jako situace, kdy jiné metody neplatí.^[1] Zahrnují použití kvantová teorie pole do plazmy. V těchto případech elektrický a magnetický pole vytvořená částicemi jsou modelována jako a pole; Síň sil. Částice, které se pohybují nebo jsou odstraněny z populace, tlačí a táhnou tuto síť sil, toto pole. Matematické řešení tohoto problému zahrnuje Lagrangian matematika.

Komerční kódy modelování fyziky plazmatu

• Quantemol-VT
• VizGlow
• VizSpark
• CFD-ACE +
• COMSOL
• LSP
• Kouzlo
• Mořská hvězdice
• USim
• VSim
• STAR-CCM +

Viz také

• Seznam článků o fyzice plazmatu

Reference

• Francis F. Chen (2006). Úvod do fyziky plazmatu a řízené fúze (2. vyd.). Springer. ISBN  978-0-306-41332-2.
• Nicholas Krall a Alvin Trivelpiece (1986). Principy fyziky plazmatu. San Francisco Press. ISBN  978-0-911302-58-5.
• Ledvina, S. A .; Y.-J. Ma; E. Kallio (2008). "Modelování a simulace tekoucích plazmat a souvisejících jevů". Recenze vesmírných věd. 139 (1–4): 143. Bibcode:2008SSRv..139..143L. doi:10.1007 / s11214-008-9384-6. S2CID  121999061.