Plasmamodellering - Plasma modeling
Plasmamodellering refererer til å løse bevegelsesligninger som beskriver tilstanden til et plasma . Det er vanligvis kombinert med Maxwells ligninger for elektromagnetiske felt eller Poissons ligning for elektrostatiske felt. Det er flere hovedtyper av plasmamodeller: enkeltpartikkel, kinetisk, væske, hybrid kinetisk / væske, gyrokinetic og som system av mange partikler.
Enkeltpartikkelbeskrivelse
Enkeltpartikkelmodellen beskriver plasmaet som individuelle elektroner og ioner som beveger seg i pålagte (i stedet for selvkonsistente) elektriske og magnetiske felt. Bevegelsen til hver partikkel er således beskrevet av Lorentz Force Law . I mange tilfeller av praktisk interesse kan denne bevegelsen behandles som superposisjonen til en relativt rask sirkelbevegelse rundt et punkt kalt styresenteret og en relativt langsom drift av dette punktet.
Kinetisk beskrivelse
Den kinetiske modellen er den mest grunnleggende måten å beskrive et plasma på, som resulterer i en distribusjonsfunksjon
hvor de uavhengige variablene og er henholdsvis posisjon og hastighet . En kinetisk beskrivelse oppnås ved å løse Boltzmann-ligningen eller, når den korrekte beskrivelsen av langdistanse Coulomb-interaksjon er nødvendig, ved Vlasov-ligningen som inneholder selvkonsistent kollektivt elektromagnetisk felt, eller ved Fokker – Planck-ligningen , der tilnærminger har blitt brukt til å utlede håndterbare kollisjonsbetingelser. Ladningene og strømene produsert av distribusjonsfunksjonene bestemmer selvstendig de elektromagnetiske feltene via Maxwells ligninger .
Væskebeskrivelse
For å redusere kompleksiteten i den kinetiske beskrivelsen, beskriver væskemodellen plasmaet basert på makroskopiske størrelser (hastighetsmomenter av fordelingen som tetthet, middelhastighet og middelenergi). Likningene for makroskopiske størrelser, kalt fluidligninger, oppnås ved å ta hastighetsmomenter av Boltzmann-ligningen eller Vlasov-ligningen . Væske ligningene er ikke lukket uten bestemmelse av transportkoeffisienter som mobilitet, diffusjonskoeffisient , gjennomsnittlig kollisjonsfrekvens, og så videre. For å bestemme transportkoeffisientene må hastighetsfordelingsfunksjonen antas / velges. Men denne antagelsen kan føre til en feil i å fange noen fysikk.
Hybrid kinetisk / væskebeskrivelse
Selv om den kinetiske modellen beskriver fysikken nøyaktig, er den mer kompleks (og når det gjelder numeriske simuleringer, mer beregningsintensiv) enn fluidmodellen. Hybridmodellen er en kombinasjon av væske- og kinetiske modeller, som behandler noen komponenter i systemet som en væske, og andre kinetisk.
Gyrokinetic beskrivelse
I den gyrokinetiske modellen , som er passende for systemer med sterkt magnetfelt i bakgrunnen, blir de kinetiske ligningene gjennomsnittet over den hurtige sirkulære bevegelsen til gyroradius . Denne modellen har blitt brukt mye for simulering av tokamak plasma ustabilitet (for eksempel GYRO og Gyrokinetic ElectroMagnetic koder), og mer nylig i astrofysiske applikasjoner.
Kvantemekaniske metoder
Kvantemetoder er ennå ikke veldig vanlige i plasmamodellering. De kan brukes til å løse unike modelleringsproblemer; som situasjoner der andre metoder ikke gjelder. De involverer anvendelse av kvantefeltteori på plasma. I disse tilfellene er de elektriske og magnetiske feltene laget av partikler modellert som et felt ; Et nett av krefter. Partikler som beveger seg eller blir fjernet fra befolkningen skyver og trekker på dette nettet av krefter, dette feltet. Den matematiske behandlingen for dette involverer lagrangisk matematikk.
Kommersielle plasmafysikk modelleringskoder
Se også
Referanser
- Francis F. Chen (2006). Introduksjon til plasmafysikk og kontrollert fusjon (2. utg.). Springer. ISBN 978-0-306-41332-2.
- Nicholas Krall & Alvin Trivelpiece (1986). Prinsipper for plasmafysikk . San Francisco Press. ISBN 978-0-911302-58-5.
- Ledvina, SA; Y.-J. Ma; E. Kallio (2008). "Modellering og simulering av flytende plasmaer og relaterte fenomener". Space Science Anmeldelser . 139 (1–4): 143. Bibcode : 2008SSRv..139..143L . doi : 10.1007 / s11214-008-9384-6 . S2CID 121999061 .