感应耦合等离子体放电中非平衡现象的多物理场建模：第一部分. 态到态方法
等离子体物理
2024-10-21 v2
摘要
本工作提出一种在多多物理场模块化计算框架内实现的氮等离子体振动态与电子态态到态 (StS) 模型，用于研究感应耦合等离子体 (ICP) 放电中的非平衡效应。在该计算框架中，振动-电子 (即振动态与电子态) 主方程与流动控制方程以紧密耦合方式求解。这种紧密耦合消除了在计算等离子体状态时引入任何简化假设的必要性，从而确保了更高的物理保真度。为缓解计算复杂性，采用了最大熵粗粒化策略，有效截断内态空间。该降阶 StS 模型的效能通过零维等容模拟得到实证。在这些模拟中，将降阶模型所得结果与完整 StS 模型严格比较，从而确认了降阶 StS 框架的准确性。所开发的粗粒化 StS 模型被用于研究 VKI Plasmatron 设施内的等离子体放电。我们的结果显示，StS 模拟得到的等离子体流场与 conventionally 用于此类设施模拟的局部热力学平衡 (LTE) 模型所得流场存在显著偏差。分析表明原子与分子的内态布居明显偏离玻尔兹曼分布。这些非平衡效应对能量耦合动力学具有重要影响，进而影响等离子体放电的整体形态。对结果的深入分析表明，在热等离子体核心区布居分布处于准稳态 (Quasi-Steady-State)。
引用
@article{arxiv.2310.02214,
title = {Multi-physics modeling of non-equilibrium phenomena in inductively coupled plasma discharges: Part I. A state-to-state approach},
author = {Sanjeev Kumar and Alessandro Munafo and Sung Min Jo and Marco Panesi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.02214},
year = {2024}
}
备注
42 pages, 22 figures