УДК004.942, 533.9

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ПРОБОЯ В ГЕЛИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИВНЫХ МЕТОДОВ

Елисеев С. И., Демидов В. И., Чирцов А. С., Кудрявцев А. А., Колобов В. И., Богданов Е. А.


Читать статью полностью 

Аннотация

 Исследуется возможность использования адаптивных методов для моделирования процессов, происходящих при электрических пробоях в газах. Численное моделирование выполнялось для разряда в гелии при атмосферном давлении между игольчатыми электродами. Физическая модель сопровождающих пробой процессов строилась на базе самосогласованной системы уравнений непрерывности для потоков заряженных частиц (электронов и положительных ионов) и уравнения Пуассона для электрического потенциала. Резкая неоднородность плазмы в области стримеров потребовала использования при моделировании адаптивных алгоритмов построения вычислительных сеток. Дано описание метода адаптивного построения сетки и обоснование его эффективности для решения резко нестационарных задач пробоя газа при атмосферном давлении. Численное моделирование процессов осуществлялось в расширенном варианте свободно распространяемого пакета Gerris. Первоначально ориентированный на решение нелинейных задач динамики жидкостей пакет оказался пригодным для моделирования процессов в нестационарной плазме, описание которых строится на базе уравнений непрерывности. Использование адаптивных сеток позволило получить адекватную численную модель развития пробоя в системе игольчатых электродов. Динамика пробоя проиллюстрирована контурными графиками распределения концентраций электронов и напряженности электрического поля, полученными в ходе решения. Показан и проанализирован механизм пробоя с образованием положительного и анодонаправленного отрицательного стримеров. Показано соответствие между адаптивным построением вычислительной сетки и образующимися в ходе решения градиентами параметров плазмы. Результаты работы могут быть взяты за основу при проведении полномасштабных численных экспериментов по пробою газового промежутка.


Ключевые слова: моделирование плазмы, пробой газа, адаптивные методы, стримеры, импульсный разряд.

Список литературы
1. Bogdanov E.A., Kolobov V.I., Kudryavtsev A.A., Tsendin L.D. Scaling laws for oxygen discharge plasmas //
Technical Physics. 2002. V. 47. N 8. P. 946–954.
2. Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A., Tsendin L.D., Arslanbekov R.R., Kolobov V.I., Kudryavtsev V.V. Substantiation
of the two-temperature kinetic model by comparing calculations within the kinetic and fluid models
of the positive column plasma of a DC oxygen discharge // Technical Physics. 2003. V. 48. N 8. P. 983–
994.
3. Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A., Tsendin L.D., Arslanbekov R.R., Kolobov V.I., Kudryavtsev V.V. Scaling
laws for the spatial distributions of the plasma parameters in the positive column of a DC oxygen discharge
// Technical Physics. 2003. V. 48. N 9. P. 1151–1158.
4. Gutsev S.A., Kudryavtsev A.A., Zamchiy R.Yu., Demidov V.I., Kolobov V.I. Diagnostics and modeling of a
short (without positive column) glow discharge in helium with nonlocal plasma // Proc. 40th European Physical
Society Conference on Plasma Physics. Finland, 2013. N 06.502.
5. Чернышева М.В., Марек В.П., Чирцов А.С., Швагер Д.А. Компьютерное моделирование при изучении
физических процессов в тлеющем разряде в воздушных смесях при низких давлениях // Научно-
технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 3 (91). С. 140–146.
6. Mesyats G.A. Similarity laws for pulsed gas discharges // Physics–Uspekhi. 2006. V. 49. N 10. P. 1045–
1065.
7. Bogdanov E.A., Chirtsov A.S., Kudryavtsev A.A. Fluxes of charged particles in two-chamber ICP discharge
in oxygen // IEEE Transactions on Plasma Science. 2011. V. 39. N 11 part 1. P. 2562–2563.
8. Chirtsov A.S., Kapustin K.D., Kudryavtsev A.A., Bogdanov E.A. Nonlocal behavior of electron fluxes and
excitation rates for «local» EEDF in moderate and high pressures DC positive column plasmas // IEEE
Transactions on Plasma Science. 2011. V. 39. N 11 part 1. P. 2580–2581.
9. Rafatov I. Bogdanov E.A., Kudryavtsev A.A. On the accuracy and reliability of different fluid models of the
direct current glow discharge // Physics of Plasmas. 2012. V. 19. N 3. Art. 033502.
10. Bogdanov E.A., Chirtsov A.S., Kudryavtsev A.A. Fundamental nonambipolarity of electron fluxes in 2D
plasmas // Physical Reviews Letters. 2011. V. 106. N 19. Art. 195001.
11. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 3-е изд. Долгопрудный: Интеллект, 2009. 736 с.
12. Kolobov V.I., Aslanbekov R.R. Simulations of low-temperature plasmas with adaptive cartesian mesh // ASP
Conference Series. 2012. V. 459. P. 328–333.
13. Hagelaar G.J.M., Kroesen G.M.W., Van Slooten U., Schreuders H. Modeling of the microdischarges in
plasma addressed liquid crystal displays // Journal of Applied Physics. 2000. V. 88. N 5. P. 2252–2262.
14. Kolobov V.I., Arslanbekov R.R., E Bogdanov.A., Eliseev S., Kudryavtsev A.A. Comparison of computational
tools for simulations of glow and corona discharges // Proc. XXXI International Conference on Phenomena
in Ionized Gases (ICPIG). Granada, Spain, 2013. PS2-024.
15. Базелян Э.П., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М.: МФТИ, 1997. 320 с.
16. Kolobov V.I., Arslanbekov R.R. Towards adaptive kinetic-fluid simulations of weakly ionized plasmas //
Journal of Computational Physics. 2012. V. 231. N 3. P. 839–869.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика