比较低温等离子体中离子动力学的高阶矩模型
等离子体物理
2025-10-31 v2
摘要
低温等离子体常因与背景气体的碰撞以及强电场的存在而呈现非平衡的离子分布函数。这种非平衡超出经典流体模型的范围，常需计算密集的动力学模拟。本文我们研究高阶矩模型，以捕捉非平衡状态的宏观方程组，这比动力学模拟更具计算效率。我们比较了不同矩闭合方法的数值模拟：Grad 的闭合、超射影矩法 (HyQMOM)、扩展射影矩法以及基于熵最大化的方法。我们评估了不同闭合方法用于等离子体应用的情况，并提出了高效的数值离散化方法。将高阶矩模型的数值解与 argon 等离子体在两个浮动壁之间进行的动力学模拟进行比较，壁间压力范围从接近无碰撞到碰撞主导。总体而言，所有高阶矩闭合方法都能以高保真度捕捉离子输运，相较于经典流体模型表现出改进。经典流体闭合方法如热通量的 Fourier 定律被证明不适用于捕捉 sheath 或低压 regime。此外，评估了每种矩方法从矩中重建速度分布函数的能力。高阶矩模型能够以惊人的保真度在 bulk 和 sheath 中捕捉非平衡分布，显著改进了经典流体模型，同时保持与动力学模拟相当的计算成本。特别是，HyQMOM 表现出色，能够在 bulk 和 sheath 中对动力学模拟的矩和分布函数进行优异对比。
引用
@article{arxiv.2505.10456,
title = {Comparison of high-order moment models for the ion dynamics in a bounded low-temperature plasma},
author = {Anatole Berger and Thierry Magin and Anne Bourdon and Alejandro Alvarez Laguna},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.10456},
year = {2025}
}
备注
40 pages, 9 figures, published in Physics of Plasmas