/Наука и Техника

Процессы переноса в пристеночных слоях плазмы
Научное издание

Котельников В. А., Ульданов С. В., Котельников М. В.

год издания — 2004, кол-во страниц — 422, ISBN — 5-02-032741-7, тираж — 300, язык — русский, тип обложки — твёрд. 7Б, издательство — Наука

цена: 1000.00 руб

Рецензенты:
д.ф.-м. н. А. А. Пярнпуу
д.т.н. Р. Ф. Ганиев
Утверждено к печати Учёным советом Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН
Формат 70x100 1/16. Печать офсетная

Рассмотрены физические, математические и численные модели взаимодействия низкотемпературной плазмы с находящимися в ней телами. Проведены обширные вычислительные и физические эксперименты, в результате которых получены функции распределения заряженных частиц в пристеночной области, распределения концентраций, температур, скоростей ионов и электронов, а также профили самосогласованных электрических полей. Исследовано влияние скорости направленного движения, внешнего магнитного поля, инжекции пучков заряженных частиц на электродинамические параметры возмущённой зоны. Среди технических приложений рассмотрены вопросы электромагнитного управления параметрами пограничного слоя, исследована собственная атмосфера вблизи спутников, а также вопросы зондовой диагностики разреженной и плотной плазмы.

Для научных работников, преподавателей, аспирантов и студентов в области физики и электродинамики плазмы, вычислительной физики, авиационно-космической техники плазменной технологии, методов диагностики.

Предисловие	8
Обозначения, индексы, сокращения	12

Часть I
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЯХ РАЗРЕЖЕННОЙ ПЛАЗМЫ
Глава 1. Физические модели пристеночных слоёв разреженной плазмы	14
1.1. Понятие плазмы и её свойства	14
1.2. Параметры ионосферной плазмы	23
1.3. Параметры плазмы вблизи планет Солнечной системы	30
1.4. Искусственные плазменные образования в ионосфере	33
1.5. Параметры плазмы, истекающей из двигателей малой тяги	38
1.5.1. Электродуговые магнитоплазменные двигатели и ускорители	38
1.5.2. Электростатические двигатели и ускорители	44
1.6. Структура пристеночного слоя в плазме в молекулярном режиме	50

Глава 2. Математические модели пристеночных слоёв плазмы в молекулярном режиме	53
2.1. Кинетические уравнения Лиувилля, Больцмана, Власова, Алексеева	53
2.2. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля	59
2.3. Начальные распределения и условия на поверхности	62
2.4. Самосогласованные системы Больцмана-Максвелла, Власова-Максвелла, Власова-Пуассона	66

Глава 3. Аналитические и приближённые методы решения системы Больцмана-Максвелла	79
3.1. Аналитические методы решения кинетических уравнений	79
3.2. Аналитические методы решения уравнений поля	87
3.3. Приближённые методы решения самосогласованных задач	91
3.4. Применение конформных преобразований для упрощения геометрии задачи	94
3.5. Вариации решений самосогласованных задач по параметрам	101

Глава 4. Численные модели пристеночных слоёв разреженной плазмы	108
4.1. Метод крупных частиц решения уравнения Власова	108
4.2. Метод характеристик решения квазилинейных кинетических уравнений	112
4.3. Статистические методы решения уравнения Больцмана	115
4.4. Численно-аналитические методы решения уравнения Пуассона	118
4.5. Численный метод решения уравнений Максвелла	127
4.6. Алгоритм реализации численной модели пристеночных слоёв разреженной плазмы	331
4.7. Методические исследования и тестовые задачи. Сравнение с экспериментом и расчётами других авторов	135

Глава 5. Результаты математического моделирования процессов переноса в пристеночных слоях покоящейся разреженной плазмы	139
5.1. Тела кругового сечения в покоящейся разреженной плазме	139
5.1.1. Математическая модель задачи	139
5.3.2. Функции распределения заряженных частиц	141
5.1.3. Релаксация интегральных характеристик и структура возмущённой зоны	144
5.2. Тело плоской геометрии в покоящейся разреженной плазме	351
5.3. Влияние начальных и граничных условий на решение задачи о процессах переноса	156

Глава 6. Результаты математического моделирования процессов переноса в пристеночных слоях движущейся разреженной плазмы	167
6.1. Задача обтекания цилиндрического тела	167
6.1.1. Эволюция двух компонентной плазмы с больцмановскими электронами	167
6.1.2. Эволюция трёхкомпонентной плазмы с больцмановскими электронами	373
6.1.3. Эволюция двухкомпонентной плазмы с электронами, подчиняющимися уравнению Власова	179
6.2. Задача обтекания пластины	184
6.2.1. Изолированная пластина	184
6.2.2. Пластина на боковой поверхности большого тела	189
6.3. Задача обтекания пары параллельных цилиндров	191
6.4. Задача обтекания сферического тела	195

Глава 7. Влияние магнитного поля на структуру возмущённой зоны вблизи заряженных тел в разреженной плазме	198
7.1. Дрейфовое приближение	198
7.2. Система Власова-Максвелла в случае продольного магнитного поля вблизи цилиндра	199
7.3. Численное моделирование задачи о цилиндре в продольном магнитном поле	202
7.4. Система Власова-Максвелла в случае продольного магнитного поля вблизи пластины	209
7.5. Влияние магнитного поля на структуру возмущённой зоны вблизи диска, расположенного на диэлектрической поверхности	212

Глава 8. Математическое моделирование атмосферы вблизи КЛА при наличии инжекцип пучков заряженных частиц	217
8.1. Постановка задачи	217
8.2. Метод решения уравнений математической модели	220
8.3. Инжекция пучка электронов	225
8.4. Инжекция ионных пучков	230

Глава 9. Электрические зонды на борту КЛА	239
9.1. Постановка зондовой задачи. Алгоритм её решения	239
9.2. Результаты математического моделирования зондовых задач	241
9.3. Зондовые измерительные схемы и конструкции зондов	248
9.4. Методы обработки зондовых характеристик	259

Часть II
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЯХ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ
Глава 10. Основные элементарные процессы в пристеночной плотной плазме	264
10.1. Элементарные процессы в объёме	265
10.3.1. Упругое рассеяние электрона на молекуле	266
10.1.2. Сечения возбуждения и ионизации молекул и атомов электронным ударом	267
10.1.3. Сечения электрон-молекулярных столкновений, приводящих к диссоциации молекул	271
10.1.4. Кулоновские столкновения	274
10.2. Элементарные процессы на стенке	275
10.2.1. Процессы и коэффициенты гетерогенной рекомбинации и тушения возбуждённых частиц на стенках и покрытиях	276
10.2.2. Пристеночная проводимость	278

Глава 11. Математические модели пристеночной плотной плазмы	279
11.1 Математические модели в случае покоящейся плазмы	279
11.1.1. Слабоионизованная плазма с постоянными свойствами и замороженными химическими реакциями	279
11.1.2. Слабоионизованная плазма с переменными свойствами и замороженными химическими реакциями	281
11.1.3. Слабоионизованная плазма с учётом реакций ионизации и рекомбинации	283
11.1.4. Сильноионизованная плазма в режиме сплошной среды	285
11.2. Математические модели для движущейся плотной плазмы без магнитного поля	287
11.2.1. Слабоионизованная ламинарная плазма	287
11.2.2. Слабоионизованная турбулентная плазма	288
11.2.3. Сильноионизованная плотная плазма	292
11.3. Математические модели в пристеночной плотной плазме в магнитном поле	293

Глава 12. Численные модели в электродинамике пристеночной плотной плазмы	297
12.1. Метод крупных частиц в задачах электродинамики пристеночных слоёв плотной плазмы	297
12.2. Методы решения уравнений Максвелла	300
12.2.1. Спектральные методы решения уравнения Пуассона	300
12.2.2. Итерационный метод верхней релаксации решения уравнения Пуассона	303
12.2.3. Итерационный метод квазилинеаризации для решения нелинейного уравнения Пуассона	304
12.3. Алгоритм расчёта нестационарной задачи электродинамики пристеночной плотной плазмы	304
12.4. Методические исследования и тестовые задачи. Сравнение с экспериментами и расчетами других авторов	307

Глава 13. Результаты математического моделирования процессов переноса в покоящейся пристеночной плазме	311
13.1. Заряженное тело кругового сечения в покоящейся плотной плазме с постоянными свойствами и замороженными химическими реакциями	311
13.2. Заряженное тело кругового сечения в покоящейся плотной слабоионизованной плазме с переменными свойствами и замороженными химическими реакциями	319

Глава 14. Результаты математического моделирования процессов переноса в движущейся пристеночной плазме	324
14.1. Заряженное тело кругового сечения в потоке плотной плазмы с постоянными свойствами и замороженными химическими реакциями	324
14.1.1. Ламинарное обтекание заряженного тела кругового сечения слабоионизованной плазмой	324
14.1.2. Турбулентное обтекание заряженного тела кругового сечения слабоионизованной плазмой	330
14.1.3. Заряженное тело кругового сечения в потоке сильноионизованной плазмы	337
14.2. Заряженная пластина в потоке плотной слабоионизованной плазмы с постоянными свойствами и замороженными химическими реакциями	339
14.2.1. Тонкая заряженная пластина в потоке слабоионизованного газа при небольших числах Re	339
14.2.2. Заряженная пластина на боковой поверхности тела, обтекаемого продольным потоком ламинарной плазмы	342
14.2.3. Заряженная пластина на боковой поверхности тела, обтекаемого продольным потоком турбулентной плазмы	345

Глава 15. Результаты математического моделирования процессов переноса в пристеночной плазме при наличии химических реакций, магнитных полей, многокомпонентности	349
15.1. Заряженное тело в плотной слабоионизованной плазме при наличии реакций ионизации и рекомбинации	349
15.1.1. Тело кругового сечения в плотной слабоионизованной покоящейся плазме	349
15.1.2. Заряженная пластина на боковой поверхности тела, обтекаемого продольным потоком ламинарной плазмы при наличии химических реакций	353
15.2. Влияние магнитного поля на процессы переноса в пристеночной плотной плазме	357
15.2.1. Заряженное цилиндрическое тело в продольном магнитном поле	357
15.2.2. Заряженная пластина на боковой поверхности обтекаемого плазмой тела в магнитном поле	363
15.3. Процессы переноса в пристеночной плотной плазме с учётом многокомпонентности	366

Глава 16. Заряженное тело в плотной плазме при наличии потоков заряженных частиц и излучения	369
16.1. Влияние эмиссии электронов на процессы переноса в пристеночных слоях плотной плазмы	369
16.2. Влияние инжекции отрицательных ионов на процессы переноса в пристеночной плотной плазме	375
16.3. Влияние импульсного магнитного поля на процессы переноса в пристеночной плотной плазме	382

Глава 17. Зондовая диагностика плотной плазмы	386
17.1. Зондовая диагностика покоящейся плотной плазмы без магнитного поля	387
17.2. Зондовая диагностика движущейся плотной плазмы без магнитного поля	391
17.2.1. Вольт-амперные характеристики различных типов зондов	391
17.2.2. Методы обработки зондовых характеристик	394
17.3. Нестационарные методы зондовой диагностики	399
17.4. Зондовые измерительные схемы	403
17.5. Некоторые результаты зондовых экспериментов в плотной плазме	406
17.5.1. Зондовые эксперименты в лабораторных условиях	406
17.5.2. Зондовые эксперименты на борту гиперзвукового летательного аппарата	408

Литература	411

Книги на ту же тему

Плазменные ускорители и ионные инжекторы, Козлов Н. П., Морозов А. И., ред., 1984
Теория многих частиц, Власов А. А., 1950
Теория и приложения уравнения Больцмана, Черчиньяни К., 1978
Газовая электроника и физика плазмы в задачах, Швилкин Б. Н., 1978
Основы электродинамики плазмы: Учебник для физических специальностей университетов. — 2-е изд., перераб. и доп., Александров А. Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А. А., 1988
Итоги науки и техники: Физика плазмы. Том 2, Шафранов В. Д., ред., 1981
Физика СВЧ вакуумно-плазменных нанотехнологий, Яфаров Р. К., 2009
Вычислительные методы в теории переноса, Марчук Г. И., ред., 1969
Вопросы теории плазмы. Выпуск 18, Кадомцев Б. Б., ред., 1990
Вопросы теории плазмы. Выпуск 17, Кадомцев Б. Б., ред., 1989
Вопросы теории плазмы. Выпуск 8, Леонтович М. А., ред., 1974
Вопросы теории плазмы. Выпуск 9, Михайловский А. Б., ред., 1979
Управляемый термоядерный синтез, Киллин Д., ред., 1980

http://knigoprovod.ru

/Наука и Техника

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему