弱電離プラズマ流における電離・再結合過程および電磁加速過程の計算流体力学的研究

弱电离等离子体流中电离/复合过程和电磁加速过程的计算流体动力学研究

• 批准号: 08780450
• 负责人: 遠藤 琢磨
• 金额: $ 0.58万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-08780450/
• 关键词: MPD推進; プラズマ; 電磁流体; ローレンツ力; 二流体モデル; 電離度

本研究課題は高比推力宇宙用推進装置として開発が進められているMPD(Magneto plasma dynamic)推進装置に関する基礎研究であり、その目的は電極入口近傍のプラズマ状態を精度良く計算することであった。この目的を達成するために、一次元電磁流体コードを作成した。電極入口近傍では、流体(気体)の電離が始まり電極間に電流が流れ始めるので、自己誘起磁場に起因するローレンツ力によって流体は急激に加速され始める。この加速過程を微視的に見ると、電離によって生じた荷電粒子(電子およびイオン)がローレンツ力によってまず加速され、まだ電離していない中性粒子は加速された荷電粒子との衝突によって運動量をもらい加速されることになる。電極入口近傍のプラズマ状態を精度良く計算するためには、この微視的な状況を反映して流体を記述することが必要となるので、二流体(電離気体と中性気体)モデルによる電磁流体コードを作成した。二流体モデルによる電磁流体コードによって計算した結果、電離気体(電子およびイオン)に働く強いローレンツ力のために、電極入口近傍では電離気体のみが急速に加速され中性気体が取り残されるという現象が見つかった。これは、ローレンツ力によって電離気体に与えられた運動量が衝突によって中性気体へ移行する速度が小さいために起こる現象である。電極入口近傍では、中性気体を置き去りにして電離気体のみが急激に加速されるため、見かけ上、電離度の極小値が現れることになる。今後は、作成した電磁流体コードに輻射と高エネルギー電子(マックスウェル分布のテイル部の電子)による非局所的なエネルギー輸送の効果を組み込み、非局所的な電離を計算できるようにする予定である。

本研究课题是MPD（磁等离子体动力）推进装置的基础研究，该推进装置是一种高比冲空间推进装置，目的是精确计算电极入口附近的等离子体状态。为了实现这一目标，创建了一维磁流体动力学代码。在电极入口附近，流体（气体）开始电离，电流开始在电极之间流动，因此流体开始在自感磁场产生的洛伦兹力的作用下快速加速。从微观上看这个加速过程，电离产生的带电粒子（电子和离子）首先受到洛伦兹力的加速，尚未电离的中性粒子通过与加速的带电粒子碰撞而失去动量，从而被加速。为了准确计算电极入口附近的等离子体状态，需要通过反映这种微观情况来描述流体创建代码。使用二流体模型的磁流体动力学代码进行计算的结果发现，由于强洛伦兹力作用于电离气体（电子和离子），只有电离气体在电极入口附近快速加速，留下Ta后面的中性气体。发生这种现象的原因是洛伦兹力赋予电离气体的动量通过碰撞传递给中性气体的速度很慢。在电极入口附近，只有电离气体迅速加速，中性气体留在后面，从而出现明显的电离度最小值。未来，我们计划将辐射和高能电子（麦克斯韦分布尾部的电子）对非局域能量传输的影响纳入开发的磁流体动力学代码中，从而使计算非局域电离成为可能。