【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及等离子体的数值模拟，且具体地涉及一种空心阴极的瞬态流固热耦合模拟方法。
技术介绍
1、空心阴极是材料表面处理、聚变装置的中性束注入、空间电推进等技术和应用中的核心部件，其结构、尺寸设计对这些系统的性能影响甚大，其自持工作时内部物理过程、机制、工作模式、等离子体特征也有待探讨，对于如何提高空心阴极的性能亟需进行深入的研究。然而，空心阴极的尺寸较小，结构封闭，使用实验诊断的方式一般难以测量内部等离子体的参数分布和结构温度，因此，利用数值模拟的方法求解内部流场和结构热场，对于探讨空心阴极自持工作时内部物理过程、机制、工作模式、等离子体特征以及性能优化具有重要的意义。
2、国内外对于空心阴极的流体模拟研究中，零维和一维的流体模型存在鞘层不自洽、与实验结果吻合较差的缺陷；经典的二维轴对称流体模型根据实验测量值给定发射体的温度分布，忽略了等离子体对发射体自持加热的过程，无法得到其他工况下空心阴极内部的发射体温度分布以及准确的等离子体参数分布；其后出现了一些与阴极热模型耦合的二维轴对称流体模型，虽然可以计算实际的发射体温度分布，但模型仍存在非瞬态、弱耦合、简化结构等缺陷。kart在2007年提出的阴极热模型，是利用流体模型得到的稳态等离子体分布作为输入条件，计算阴极固体温度场分布，只是通过边界条件实现了流体模型到热模型的单向耦合，缺乏热模型对流体模型的反馈。sary在2017年提出了双向耦合的阴极热耦合模型，但他将阴极结构简化为一维模型，忽略了阴极与触持外套筒之间的辐射换热，而且为了加速收敛对热模型使用了半瞬态求解。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术的实施方式提供了一种能实现瞬态时间推进、流固场强耦合并描述完整阴极结构的二维轴对称流固热耦合模拟方法。
2、根据本公开的一方面，提出了一种空心阴极的瞬态流固热耦合模拟方法，在一种可能的实现方式中，在二维轴对称的坐标体系下，将空心阴极的计算域划分为等离子区和固体结构区，分别利用流体模型和热模型进行求解，通过鞘层边界实现了两个区域之间的实时强耦合，模拟空心阴极自持放电、功率沉积、能量平衡的物理过程，计算发射体的蒸发损耗、孔壁和触持级的溅射腐蚀所造成的侵蚀速率，实现空心阴极的寿命预估。所述模拟方法包括：等离子体的流体模型、阴极结构热模型、鞘层边界模型、阴极的寿命预估模型。
3、其中，所述的等离子体的流体模型，在一种可能的实现方式中，在二维轴对称的坐标体系下，建立包含空心阴极发射体区、孔区、间隙区、羽流区的等离子体区计算域，假设等离子体满足准中性，重粒子处于热平衡，忽略电子和离子惯性项，从电子、离子、中性粒子的连续、动量守恒、能量守恒方程出发，推导出关于等离子体数密度、中性粒子数密度、电子电流密度、离子电流密度、中性粒子速度、等离子体电势、电子温度、重粒子温度的求解方程，共同组成流体模型的时间推进控制方程组，实现了二维轴对称坐标下等离子体的瞬态求解。
4、所述的阴极结构热模型，在一种可能的实现方式中，在二维轴对称的坐标体系下，建立包含发射体、阴极管壁、孔板、加热丝、触持级、辐射屏蔽层的阴极结构区计算域，考虑结构之间的热传导，壁面的电子轰击加热、离子轰击加热、电子发射散热，阴极壁面之间的辐射换热以及阴极外壁面与外界的辐射散热，建立关于结构温度的瞬态热模型。其中结构之间的热传导由材料导热系数和温度梯度决定，电子轰击、离子轰击、电子发射引起的热交换由电子电流密度、离子电流密度、电子温度、壁面材料功函和鞘层电势决定，辐射换热由壁面间的角系数、材料发射率、壁面温度决定。实现了二维轴对称坐标下完整阴极结构温度场的瞬态求解。
5、所述的鞘层边界模型，在一种可能的实现方式中，在满足准中性原则的等离子体区与固体结构区之间，假设存在着一层零厚度的鞘层，通过鞘层附近的等离子区电势与壁面处电位的大小关系判断属于离子鞘层还是电子鞘层。在离子鞘层的情况下，离子通过预鞘层的加速，在鞘层边界达到波姆速度，电子密度和电子温度在经过预鞘层后逐渐降低，只有一部分高能电子克服势垒到达壁面。相反，在电子鞘层的情况下，离子完全被鞘层隔绝反弹，而阻碍电子到达壁面的势垒将消失。在发射体壁面处，发射体热发射的电子通过鞘层边界进入等离子体区。为所述的等离子体流体模型和阴极结构热模型提供边界条件和实现两个模型之间的热耦合。
6、所述的阴极寿命预估模型，在一种可能的实现方式中，利用等离子体流体模型和阴极结构热模型计算的等离子体参数分布和结构温度分布，将制约阴极寿命的三个主要因素——发射体的蒸发损耗、孔壁的溅射腐蚀、触持级的溅射腐蚀统一量化为侵蚀速率，通过三者的横向比较分析限制阴极寿命的主要瓶颈，通过结构厚度和最大侵蚀速率预估空心阴极的寿命。
7、本专利技术在完整阴极结构计算域内建立时间推进的瞬态流固热耦合模型，通过鞘层边界模型实现流场和固体热场的实时强耦合，解决了传统阴极流体模型难以计算和比较不同工况、不同尺寸下空心阴极等离子体参数和发射体实际温度随时间变化的空间分布的难题，利用流场和固体热场的时空演化分布，建立阴极寿命预估模型，将制约阴极寿命的主要因素统一量化为侵蚀速率，实现空心阴极的寿命预估，并指导了空心阴极的优化设计方案。
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1.一种空心阴极的瞬态流固热耦合模拟方法，其特征在于：
2.如权利要求1所述的等离子体的流体模型，其特征在于：
3.如权利要求1所述的阴极结构热模型，其特征在于：
4.如权利要求1所述的鞘层边界模型，其特征在于：
5.如权利要求1所述的阴极寿命预估模型，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种空心阴极的瞬态流固热耦合模拟方法，其特征在于：
2.如权利要求1所述的等离子体的流体模型，其特征在于：
3.如权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤海滨，罗梓浩，任军学，王一白，张广川，张尊，王伟宗，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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