低温等离子体应用中等温流体方程的渐近保持良平衡格式
计算物理
2020-07-15 v1 流体动力学
等离子体物理
摘要
我们提出一种新颖数值格式，用于高效且精确地求解耦合泊松方程的等温双流体（电子与离子）方程以模拟低温等离子体。该模型将电子与离子视为独立流体，包含电子惯性与电荷分离。用标准显式格式离散此系统受限于与德拜长度、电子等离子体频率及电子声波分辨率相关的极苛刻时间步与网格尺寸。鞘层与电子惯性对充分解释低压低温等离子体中的物理至关重要。然而，流体模型多数感兴趣现象发生在远慢于电子热速度且准中性的尺度，仅在小的带电区域例外。本工作中，我们提出基于拉格朗日-投影算子分裂的格式，可保持等离子体为准中性且电子无质量的渐近 regime。因此，准中性 regime 无需隐式求解器也无需解析德拜长度与电子等离子体频率即可处理。此外，该格式被证明能准确表征电子在低速度及电子速度可与热速度相比时的动力学。另外，为处理离子温度远低于电子温度的问题，提出对离子源项的良平衡处理。该格式在准中性极限及解析德拜长度的等离子体鞘层存在时均显著提升精度。该格式在两个专门设计的测试用例中评估：具有解析解的准中性双流周期扰动，以及包含鞘层的低温放电。
引用
@article{arxiv.1904.13092,
title = {An asymptotic preserving well-balanced scheme for the isothermal fluid equations in low-temperature plasma applications},
author = {Alejandro Alvarez Laguna and Teddy Pichard and Thierry Magin and Pascal Chabert and Anne Bourdon and Marc Massot},
journal= {arXiv preprint arXiv:1904.13092},
year = {2020}
}