流體模型的一點(diǎn)思考

低氣壓射頻等離子體源的流體力學(xué)模型趙書霞PSEG課題組大連理工大學(xué)2018年04月15日第一屆等離子體創(chuàng)新應(yīng)用青年論壇西安報(bào)告提綱輸運(yùn)方程的理論基礎(chǔ)等離子體各粒子體系的守恒律及其耦合機(jī)制中性氣體成分的輸運(yùn)過程帶電粒子的輸運(yùn)過程等離子體的化學(xué)動(dòng)力學(xué)電磁場模型和功率耦合方式流體模型精細(xì)化研究的意義1.輸運(yùn)方程的理論基礎(chǔ)

基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律和粒子速度分布函數(shù)Boltzmann方程及其矩理論

基于多成分質(zhì)量輸運(yùn)理論混合物的連續(xù)性和動(dòng)量守恒方程（TheNavier-Stocksequation）質(zhì)量和摩爾分?jǐn)?shù)方程（TheMaxwell-Stefanequation）等溫近似和傳熱理論

2.粒子體系的守恒律及其耦合機(jī)制粒子體系的守恒律質(zhì)量守恒電子的連續(xù)性方程離子的連續(xù)性方程中性成分的連續(xù)性方程動(dòng)量守恒電子的漂移擴(kuò)散近似離子的全動(dòng)量守恒方程中性成分的擴(kuò)散方程基于對流的中性成分?jǐn)U散方程能量守恒電子的能量守恒方程（能量沉積和功率消耗等）重粒子的室溫近似（非平衡特性）2.粒子體系的守恒律及其耦合機(jī)制粒子體系守恒律的耦合機(jī)制耦合方式1:耦合方式2:耦合方式3:帶電粒子的輸運(yùn)中性粒子的輸運(yùn)電子的輸運(yùn)重粒子的輸運(yùn)電子的輸運(yùn)離子的輸運(yùn)重粒子的輸運(yùn)MAPSofDUTCOMSOLofUSAPegsusofJapan2.粒子體系的守恒律及其耦合機(jī)制粒子體系守恒律的傳遞形式每種粒子均有一套守恒方程基于波爾茲曼方程的矩理論耦合體現(xiàn)在標(biāo)量傳遞，如密度和溫度計(jì)算混合物的輸運(yùn)計(jì)算各粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基于多成分質(zhì)量輸運(yùn)理論耦合體現(xiàn)在矢量傳遞，如速度A.各粒子體系是相對獨(dú)立的！B.各粒子體系是相對集成的！3.中性氣體成分的輸運(yùn)過程中性與帶電粒子輸運(yùn)過程研究的起源中性粒子輸運(yùn)的具體物理過程CCP里：先有中性粒子的輸運(yùn)研究，基于化學(xué)氣象沉積工藝ICP里：比CCP晚，先有帶電粒子的輸運(yùn)研究，基于刻蝕工藝靜滯擴(kuò)散和消耗弛豫對流加熱4.帶電粒子的輸運(yùn)過程帶電粒子的輸運(yùn)是熱力學(xué)過程！擴(kuò)散、遷移、熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散等電子和離子跟背景氣體之間的彈性（動(dòng)量轉(zhuǎn)移）碰撞頻率Graves

formulaLangevinmigrationDiffusioncoefficientsLennardJohnpotentialEinsteinrelation存在的問題：分子間相互作用勢考慮不完善公式來源不明確公式的適用性考慮不周忽略靶粒子的運(yùn)動(dòng)輸運(yùn)系數(shù)和方程解耦DUT的大創(chuàng)項(xiàng)目研究結(jié)果：實(shí)驗(yàn)測量的輸運(yùn)系數(shù)SwarmtheoryMonteCarlo模擬5.等離子體的化學(xué)動(dòng)力學(xué)

粒子的連續(xù)性方程電子的能量守恒方程

粒子的產(chǎn)生和消耗功率沉積和能量損耗數(shù)據(jù)庫

非彈性碰撞

化學(xué)反應(yīng)

閾值能量

反應(yīng)速率數(shù)據(jù)庫如何準(zhǔn)備

原子和分子物理

速率系數(shù)和碰撞截面

測量原理和計(jì)算理論

粒子模擬技術(shù)重要問題

不確定性分析

敏感性分析

驗(yàn)證機(jī)制

構(gòu)建規(guī)范

化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫的舉足輕重的地位構(gòu)建合理規(guī)范的數(shù)據(jù)庫和其理論基礎(chǔ)

增強(qiáng)等離子體數(shù)值仿真的有效可靠性6.電磁場模型和功率耦合方式電磁場模型靜電問題：單頻CCP源DC放電電磁問題：CCP源的電磁效應(yīng)ICP源的模式轉(zhuǎn)化泊松方程：電壓源激勵(lì)：邊界條件

流源激勵(lì)：外電路模型麥?zhǔn)戏匠蹋簳r(shí)域求解：FDTD頻域求解：諧波近似傅里葉變化的輔助功率耦合方式局域的歐姆加熱機(jī)制靜電場同時(shí)參與質(zhì)量和能量的輸運(yùn)以及功率耦合電磁場只參與功率耦合7.流體模型精細(xì)化研究的意義流體模型的偏差來源分析：方程的推導(dǎo)輸運(yùn)系數(shù)的多樣性耦合方式的多樣性化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫的理論不明確流體模型近似是否精確？數(shù)值計(jì)算截?cái)嗾`差代碼出錯(cuò)率和變量精度流體模型的硬傷：輸運(yùn)方程~波爾茲曼方程~完全可逆的彈性碰撞理論反應(yīng)數(shù)據(jù)庫~化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)~不可逆非彈性碰撞硬性拼接缺乏深層次物理理論和數(shù)學(xué)體系的支撐模擬不可靠定性分析基本問題不清楚，如空間分布尚做不到精準(zhǔn)的定量分析低溫等離子體流體力學(xué)模型丈量等離子體的好尺子！7.流體模型精細(xì)化研究的意義電子能量守恒方程的數(shù)學(xué)變形電子溫度隨功率的非單調(diào)變化提供較為完美的解釋機(jī)制綜合利用方程的物理和數(shù)學(xué)特性新型的電子能量守恒方程傳統(tǒng)的電子守恒量方程

能量消耗過程的特性：激發(fā)轉(zhuǎn)電離功率與密度比值的寓意：趨服效應(yīng)精細(xì)化研究可以增強(qiáng)我們對流體力學(xué)模型的控制力，從而收獲更多的物理機(jī)理。懇請各位同仁批評指正！承載思考的參考文獻(xiàn)1M.M.Turneretal.,“Simulationbenchmarksforlow-pressureplasmas:Capacitivedischarges,”PhysicsofPlasmas

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