塵埃離子聲波在非均勻等離子體中傳播的數(shù)值模擬.pdf

1、塵埃等離子體被廣泛發(fā)現(xiàn)于不同的環(huán)境中，包括宇宙空間和低溫等離子體物理實(shí)驗(yàn)室里，因此對(duì)于塵埃等離子體及在其中傳播的非線性波的研究有著重要的意義。上世紀(jì)九十年代開始，國(guó)際上把在塵埃等離子體中傳播的非線性聲波按照不同的時(shí)間尺度進(jìn)行劃分，提出了多種新波模：低頻的塵埃聲波和高頻的塵埃離子聲波。傳統(tǒng)的研究手段是約化攝動(dòng)的方法，然而只適用于研究小振幅弱非線性聲波的傳播。我們直接從流體力學(xué)方程組出發(fā)，編寫了非線性塵埃離子聲波傳播的計(jì)算機(jī)模擬程序。這種數(shù)

2、值模擬方法能夠很好地研究大振幅塵埃離子聲波的傳播。 由于塵埃顆粒和周圍等離子體存在電勢(shì)差，電子(主要的)和離子向著塵埃表面運(yùn)動(dòng)，形成了微觀的充電電流，所以塵埃一般是帶負(fù)電荷的。等離子體環(huán)境參數(shù)的變化會(huì)影響這些充電電流，因此塵埃電荷一般是不固定的。同時(shí)等離子體非均勻性在空間和實(shí)驗(yàn)室中廣泛存在。之前的文獻(xiàn)多是集中于研究均勻等離子體中傳播的情況，且多假設(shè)塵埃所帶電荷數(shù)固定；本論文中考慮的是非均勻等離子體中的情況，且假定塵埃電荷數(shù)可變。

3、 本論文由七章組成，其中前三章是研究背景。第一章介紹了孤立波和激波的相關(guān)知識(shí)；第二章介紹了幾種常用的等離子體數(shù)值模擬的方法，包括全粒子模擬、混合模擬和理想MHD模擬。為了引入塵埃等離子體中的非線性波，在第三章我們給出了塵埃離子聲波所滿足的流體力學(xué)方程組，并利用解析的約化攝動(dòng)方法推導(dǎo)出KdVB方程，在一定的近似條件下得到了類孤立子和類激波的解。 從第四章開始，給出了我們研究課題的主要結(jié)果。直接從流體力學(xué)方程組出發(fā)，我們編寫

4、程序建立了一個(gè)在塵埃等離子體中傳播的離子聲波的模擬系統(tǒng)，并驗(yàn)證其可以可靠運(yùn)行，以此為工具開展了涉及塵埃離子聲波的相關(guān)研究，分為兩個(gè)部分：分別是對(duì)于非均勻塵埃等離子體中傳播的離子聲孤立子和離子聲激波的模擬。平衡態(tài)等離子體中的電子、離子的空間密度分布和塵埃電荷是非均勻的，而塵埃顆粒的空間分布是均勻的，同時(shí)假定塵埃所帶電荷是可變的。在這兩部分中，我們首先研究了孤立子和激波在密度逐漸下降和電子一離子密度比率高的等離子體中的傳播，然后和不同等離子

5、體密度分布、不同密度梯度方向、不同電子—離子密度比率下的傳播作比較；又研究了塵埃充電的效果及不同參數(shù)對(duì)于充電過程的影響；最后，對(duì)比了不同波前特征寬度的激波在非均勻等離子體中傳播的特性。通過這兩部分的研究工作，得到了以下一些結(jié)論： 1．當(dāng)孤立子向著低密度區(qū)域傳播時(shí)，它的振幅和寬度都是逐漸上升的；反之亦反。當(dāng)電子—離子密度比率較大時(shí)，耗散占主導(dǎo)作用；電子—離子密度比率較小時(shí)，色散作用導(dǎo)致了劇烈的振蕩尾部。 2．當(dāng)激波向著低密