復(fù)雜邊界條件下靜電探針在等離子體中的熱力學(xué)模擬.pdf

1、隨著社會的進(jìn)步，人們生活水平的不斷提高，對能量的需求量在急劇增加，統(tǒng)觀目前存在的種種能源，不是蘊(yùn)藏量有限就是因為這樣或那樣的缺點而不能滿足人類長期的能量需求?，F(xiàn)在，開發(fā)和利用新的能源已追在眉睫，一個正在開發(fā)的新能源便是受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)能。所謂受控?zé)岷司圩儯褪窃谌斯た刂频臈l件下將一團(tuán)輕元素在高溫等離子體態(tài)下約束足夠長時間聚合成較重的原子核的反應(yīng)。核反應(yīng)時能釋放大量的能量。為了利用熱核聚變能，必須研究能被人們控制的熱核聚變反應(yīng)，也即受控?zé)?/p>

2、核聚變反應(yīng)。受控?zé)岷司圩兪且粋€綜合性的研究課題，它促成了高溫等離子體物理學(xué)科，還帶動和發(fā)展了諸如大體積高真空和超高真空技術(shù)，這些高技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)都息息相關(guān)。這些技術(shù)的水平在一定程度上反映了一個國家工業(yè)和科技的發(fā)展程度。
　　 我們已經(jīng)知道，核聚變就是要將兩個原子核結(jié)合在一起變成較重的核。為了使兩個原子核靠近結(jié)合成新核。必須克服兩核之間的庫侖斥力，也就是說，原子核必須具有足夠大的動能來沖過兩核間的庫侖位壘。因此，要使

3、聚變反應(yīng)能有效產(chǎn)生，以做成有用的能源，必須先將核燃料加熱到高溫，這種在高溫條件下進(jìn)行的聚變反應(yīng)，稱為熱核聚變，通常必須將原子核加熱到幾億度以上。我們知道，隨著溫度的升高，物質(zhì)會從固態(tài)變成液態(tài)和氣態(tài)，如果溫度再進(jìn)一步升高，就會有相當(dāng)數(shù)量的中性粒子產(chǎn)生電離，分離成電子和離子，人們把這種電子和離子各自電荷大致相等的高溫氣態(tài)物質(zhì)，稱為等離子體。如何約束住如此高溫的等離子體，我們用到了托卡馬克磁約束裝置，前蘇聯(lián)的塔姆和薩哈羅夫、美國的斯必澤分別獨

4、立地提出了以下的思想：在環(huán)形磁場(以后稱為縱場)上再加一個沿環(huán)截面方向的磁場(以后稱為極向場)，由這兩個磁場合成為沿大環(huán)方向、具有大螺距的螺旋磁場，利用螺旋磁場的旋轉(zhuǎn)變換持性來約束等離子體。
　　 為了托卡馬克裝置的優(yōu)化和獲得高性能的等離子體，例如高的中心密度和溫度，好的芯部約束等，邊緣等離子體和中心等離子體的同時控制是很重要的。因此，邊緣等離子體參數(shù)的測量對研究中心等離子體是很重要的，這就可以用到朗繆爾靜電探針。靜電探針(亦稱

5、為朗繆爾探針)是最早被用來測定等離子體特性的一種診斷工具。靜電探針理論是相當(dāng)復(fù)雜的，不過在簡單的條件下可以對探針的伏安特性曲線作出簡明的解釋，從而可以根據(jù)其伏安特性導(dǎo)出等離子體電子溫度、密度和空間電位等重要參數(shù)而且它結(jié)構(gòu)十分簡單，并具有一定的空間分辨能力。
　　 要達(dá)到預(yù)期的實驗效果和節(jié)省實驗資源，考慮到現(xiàn)有比較成熟的仿真軟件ANSYS及其表現(xiàn)在熱力學(xué)分析方面的高可靠性，可以嘗試在不同條件下建模，包括材料的選取和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，分別

6、計算出結(jié)果，把結(jié)果進(jìn)行對比分析，歸納出一般規(guī)律，總結(jié)出一套最優(yōu)化設(shè)計方案。同時也可適當(dāng)?shù)膬?yōu)化邊界條件，使其盡可能逼近現(xiàn)實狀況，可達(dá)到更可靠的模擬效果。通過仿真能精確指導(dǎo)探針在材料，參數(shù)，和結(jié)構(gòu)各方面的設(shè)計，進(jìn)而優(yōu)化探針在實驗中的測量。
　　 本文主要研究內(nèi)容是使用ANSYS軟件對靜電探針置入等離子體后的熱力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析在不同條件下靜電探針經(jīng)受等離子體熱轟擊和輻射時的熱力學(xué)問題。
　　 本文系統(tǒng)分析了復(fù)雜邊界條

7、件對靜電探針熱狀態(tài)的影響，設(shè)置了合適的載荷步計算出探針在整個等離子體脈沖下的熱力學(xué)狀態(tài)，尤其詳盡分析和歸納了靜電探針在時變脈沖載荷作用下整個時間過程的熱狀態(tài)變化規(guī)律。
　　 本文重點研究了靜電探針中兩種熱性能差異較大材料之間存在的接觸作用，分析了材料之間的接觸熱阻對探針整體熱狀態(tài)影響和接觸作用對熱力耦合狀態(tài)的影響，根據(jù)計算設(shè)置可靠的接觸熱阻，多次修正模擬以達(dá)到和實際情況匹配。
　　 本文不僅研究了靜電探針在等離子體脈沖轟