尘埃等离子体中尘埃空洞形成的非线性理论

论文摘要

尘埃等离子体广泛存在于空间等离子体、实验等离子体和高温核聚变等离子体中。在实验和应用中，人们发现了尘埃空洞。为了弄清尘埃等离子体中尘埃空洞形成的机理，人们用各种方法对其进行了研究，给出了各种不同的解释。1999年，Samsonv和Goree首次在实验中对尘埃等离子体的电离不稳定性进行了实验研究。研究表明，尘埃等离子体中电离不稳定性分线性阶段和非线性阶段。在线性阶段，所有的谐波都被激发起来，不稳定性为细丝核；在非线性阶段，所有的谐波又都降回到零，不稳定性为“大空洞模”。他们在实验中观察到了尘埃空洞的形成和演化，并用各种实验手段对其进行了研究。2001年，王晓钢等人对尘埃等离子体中的电离不稳定性和共振声波进行了详细的理论分析，给出了色散关系，建立了尘埃等离子体电离不稳定性线性阶段的理论。2003年，Avinash等人在一维直角坐标系下首次建立了尘埃等离子体中尘埃空洞形成的非线性理论。他们的研究表明，尘埃空洞形成和演化过程中，尘埃颗粒主要受电场力和离子拖拽力作用。他们的研究没有考虑尘埃的对流影响。本文在一维柱坐标系下，考虑了尘埃的对流效应，建立了尘埃等离子体中尘埃空洞形成的数学模型，数值求解所建立的模型，得到了尘埃等离子中尘埃空洞形成和演化的数值结果。数值结果表明：柱坐标与实验情况更接近，尘埃的对流对尘埃空洞形成有明显影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 综述
• 1.1 等离子体概述
• 1.2 等离子体的分类
• 1.2.1 按等离子体的产生分类
• 1.2.2 按等离子体电离程度分类
• 1.2.3 按等离子体的温度分类
• 1.3 等离子体性质以及参量
• 1.3.1 等离子体密度
• 1.3.2 等离子体温度
• 1.3.3 德拜屏蔽与德拜长度
• 1.3.4 等离子体频率
• 1.3.5 等离子体判据
• 1.4 尘埃等离子体概述
• 1.5 尘埃等离子体物理的研究进展
• 1.5.1 尘埃等离子体中的粒子输运
• 1.5.2 尘埃等离子体的集体特性
• 1.5.3 尘埃等离子体晶格
• 1.6 尘埃等离子体的基本研究方法
• 1.6.1 尘埃等离子体的理论研究方法
• 1.6.2 尘埃等离子体的实验研究
• 1.6.3 尘埃等离子体的数值计算和模拟研究
• 1.7 尘埃等离子体中的电离不稳定性与空洞研究
• 1.8 本文主要介绍
• 2 尘埃等离子体空洞的实验研究
• 2.1 空洞形成的实验装置
• 2.2 尘埃空洞的形状
• 2.3 实验参数对于空洞的影响
• 2.3.1 对于尘埃云体积的影响
• 2.3.2 对于尘埃云和尘埃空洞直径的影响
• 2.4 尘埃空洞的形成原因分析
• 3 直角坐标系下空洞的形成与演化
• 3.1 研究模型
• 3.2 方程的简化和处理
• 3.3 边界条件和初始条件
• 3.4 对方程进行差分
• 3.5 计算参数
• 3.6 计算结果和讨论
• 4 柱坐标下的尘埃对流对空洞形成和演化的影响
• 4.1 研究模型
• 4.2 方程的简化和处理
• 4.3 初始条件和边界条件
• 4.4 对方程进行差分
• 4.5 计算参数
• 4.6 进行计算并且对结果进行讨论
• 4.7 结论
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢