Моделирование зоны возмущения разреженной многокомпонентной низкотемпературной плазмы неподвижным симметричным телом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснована математическая модель самосогласованной релаксации возмущенной области, построенная на основе нелинейной системы Власова—Пуассона, которая описывает взаимодействие неподвижного поглощающего заряженного проводника (сферической или цилиндрической формы) со свободномолекулярной многокомпонентной низкотемпературной плазмой. Многомерность кинетических уравнений создавала существенные сложности для численной реализации модели. Для их преодоления разработана система криволинейных координат с неголономными связями, позволяющая сократить фазовый объем задачи; приведен вывод формы кинетического уравнения в данной системе координат. Подробно описан применяемый численный метод моделирования.
Полученные результаты не только подтверждают адекватность предложенной модели и корректность реализации численных алгоритмов, но и представляют значительный практический интерес. Кинетический характер модели обеспечивает возможность детального исследования состояния плазмы и самосогласованного электрического поля в околоповерхностной области. В частности, на примере сферического тела в трехкомпонентной плазме продемонстрировано наличие существенного неравновесия в распределении частиц в возмущенной зоне, а также выявлены характерные особенности пространственного распределения и динамики частиц с различным знаком заряда.

Об авторах

Валерий Вениаминович Черепанов

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: vvcherepanov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-2733-752X
SPIN-код: 3740-3292
Scopus Author ID: 14419630000
ResearcherId: R-7589-2016
https://www.mathnet.ru/rus/person63230

доктор технических наук, доцент; профессор; кафедра физики

Россия, 125993, Москва, Волоколамское шоссе, 4

Список литературы

  1. Morfill G. E., Ivlev A. V. Complex plasmas: An interdisciplinary research field // Rev. Mod. Phys., 2009. vol. 81, no. 4. pp. 1353–1404. EDN: MYCKIN. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1353.
  2. Kuznetsov I. A., Saveliev A. A., Rasipuram S., et al. Development of active porous medium filters on plasma textiles // AIP Conf. Proc., 2012. vol. 1453. pp. 265–270. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4711186.
  3. Giddey S., Badwal S. P. S., Kulkarni A., Munnings C. A. A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology // Prog. Energy Combust. Sci., 2012. vol. 38, no. 3. pp. 360–399. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2012.01.003.
  4. Thissen H. Plasma-based surface modification for the control of biointerfacial interactions / Biosynthetic Polymers for Medical Applications / Woodhead Publishing Series in Biomaterials; eds. L. Poole-Warren, P. Martens, R. Green. Amsterdam: Elsevier, 2016. pp. 129–144. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-105-4.00005-5.
  5. Gay-Mimbrera J., Garcia M. C., Isla-Tejera B., et al. Clinical and biological principles of cold atmospheric plasma application in skin cancer // Adv. Ther., 2016. vol. 33, no. 6. pp. 894–909. DOI: https://doi.org/10.1007/s12325-016-0338-1.
  6. Fayrushin I. I., Dautov I. G., Kashapov N. F. Distribution of potential and concentration of electrons in low-temperature plasma with hollow microparticles // Int. J. Env. Sci. Technol., 2017. vol. 14. pp. 2555–2560. EDN: XNOAWS. DOI: https://doi.org/10.1007/s13762-016-1054-8.
  7. Bronold F. X.,Rasek K., Fehske H. Electron microphysics at plasma-solid interfaces // J. Appl. Phys., 2020. vol. 128, 180908, arXiv: 2011.06821 [physics.plasm-ph]. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0027406.
  8. Freidman P. C., Fridman A. Using cold plasma to treat warts in children: A case series // Pediatr. Dermatol., 2020. vol. 37, no. 4. pp. 706–709. DOI: https://doi.org/10.1111/pde.14180.
  9. Кожевников В. Ю., Козырев А. В., Коковин А. О., Семенюк Н. С. Кинетическая модель вакуумного расширения плазмы в цилиндрическом промежутке // Физ. плазмы, 2023. Т. 49, №11. С. 1170–1177. EDN: HAWJYO. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292123600607.
  10. Adamovich I., Agarwal S., Ahedo E., et al. The 2022 Plasma Roadmap: low temperature plasma science and technology // J. Phys. D: Appl. Phys., 2022. vol. 55, no. 37, 373001. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac5e1c.
  11. Sanmartin J. R., Estes R. D. The orbital-motion-limited regime of cylindrical Langmuir probes // Phys. Plasm., 1999. vol. 6, no. 1. pp. 395–405. DOI: https://doi.org/10.1063/1.873293.
  12. Merlino R. L. Experimental investigations of dusty plasmas // AIP Conf. Proc., 2005. vol. 799. pp. 3–11. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2134567.
  13. Thomas E. Dust clouds in DC-generated dusty plasmas: Transport, waves, and three-dimensional effects // Contr. Plasm. Phys., 2009. vol. 49, no. 4–5. pp. 316–345. DOI: https://doi.org/10.1002/ctpp.200910029.
  14. Chung S. S. M. FDTD simulations on radar cross section of metal cone and plasma covered metal cone // Vacuum, 2012. vol. 86, no. 7. pp. 970–984. DOI: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2011.08.016.
  15. Lev D., Myers R. M., Lemmer K. M., et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion // Acta Astro., 2019. vol. 159. pp. 213–227. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.058.
  16. Тимофеев А. В., Николаев В. С. Влияние параметров тлеющего разряда на среднее межчастичное расстояние в плазменно-пылевых структурах в диапазоне температур от криогенных до комнатной // ЖЭТФ, 2019. Т. 155, №2. С. 356–370. EDN: YVYMGT. DOI: https://doi.org/10.1134/S0044451019020160.
  17. Ohkawa Y., Kawamoto S., Okumura T., et al. Review of KITE – Electrodynamic tender experiment on the Japanese H-II Transfer Vehicle // Acta Astro., 2020. vol. 177. pp. 750–758. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.03.014.
  18. Голубь А. П., Попель С. И. Нестационарные процессы при формировании пылевой плазмы у поверхности спутника Марса–Деймоса // Физ. плазмы, 2021. Т. 47, №8. С. 741–747. EDN: OHSJUU. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292121070088.
  19. Ваулина О. С. Перераспределение кинетической энергии в трехмерных облаках заряженных пылевых частиц // Физ. плазмы, 2022. Т. 48, №1. С. 36–40. EDN: KNZZYV. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292122010140.
  20. Игнатов А. М. Влияние невзаимных сил на устойчивость пылевых кластеров // Физ. плазмы, 2021. Т. 47, №5. С. 391–400. EDN: ZSQIDF. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292121050024.
  21. Попель С. И., Зеленый Л. М., Захаров А. С. Пылевая плазма в солнечной системе: безатмосферные космические тела // Физ. плазмы, 2023. Т. 49, №8. С. 813–820. EDN: HZLIWW. DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292123600437.
  22. Hartzell C. M., Bellan P., Bodewits D., et al. Payload concepts for investigations of electrostatic dust mothion on the lunar surface // Acta Astro., 2023. vol. 207. pp. 89–105. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.02.032.
  23. Chapman S., Cowling T. G. The Mathematical Theory of Non-Uniform Gases. An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases. Cambridge: Cambridge Univ., 1991. 423 pp.
  24. Силин В. П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Наука, 1971. 338 с.
  25. Ecker G. Theory of Fully Ionized Plasmas. New York, London: Academic Press, 1972. xv+344 pp. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-10607-1.
  26. Арцимович А. А., Сагдеев Р. З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979. 320 с.
  27. Альперт Я. Л., Гуревич А. В., Питаевский Л. П. Искусственные спутники в разреженной плазме. М.: Наука, 1964. 382 с. EDN: ZTCPTT.
  28. Альперт Я. Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме. М.: Наука, 1974. 216 с.
  29. Алексеев Б. В., Котельников В. А., Черепанов В. В. Электростатический зонд в многокомпонентной плазме // ТВТ, 1984. Т. 22, №2. С. 395–396.
  30. Жданов С. К., Курнаев В. А., Романовский М. К., Цветков И. В. Основы физических процессов в плазме и плазменных установках. М.: МИФИ, 2007. 368 с.
  31. Власов А. А. О вибрационных свойствах электронного газа // УФН, 1967. Т. 93, №3. С. 444–470. DOI: https://doi.org/10.3367/UFNr.0093.196711f.0444.
  32. Pegoraro F., Califano F., Manfredi G., Morrison P. J. Theory and applications of the Vlasov equation // Eur. Phys. J. D, 2015. vol. 69, 68. DOI: https://doi.org/10.1140/epjd/e2015-60082-y.
  33. Веденяпин В. В., Когтенев Д. А. О выводе и свойствах уравнений типа Власова // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2023, 020. DOI: https://doi.org/10.20948/prepr-2023-20.
  34. Скубачевский А. Л. Уравнения Власова–Пуассона для двукомпонентной плазмы в однородном магнитном поле // УМН, 2014. Т. 69, №2. С. 107–148. EDN: SJQKIX. DOI: https://doi.org/10.4213/rm9579.
  35. Власов А. А. Статистические функции распределения. М.: Наука, 1966. 356 с.
  36. Годунов С. К., Рябенький В. С. Разностные схемы. Введение в теорию. М.: Наука, 1977. 400 с.
  37. Potter D. Computational Physics. London: John Wiley & Sons, 1973. xi+304 pp.
  38. Hockney R. W., Eastwood J. W. Computer Simulation Using Particles. Bristol, Philadelphia: Adam Hilger, 1988. xxi+540 pp. DOI: https://doi.org/10.1201/9780367806934.
  39. Алифанов О. М., Черепанов В. В. Методы исследования и прогнозирования свойств высокопористых теплозащитных материалов. М.: МАИ, 2014. 264 с.
  40. Черепанов В. В. О решении некоторых нелинейных эллиптических уравнений для тепловых приложений // Тепл. процессы в техн., 2024. Т. 16, №2. С. 55–67. EDN: CSHXIN.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Эволюция профиля радиальной напряженности электрического поля $E_{r}$ в ходе развития возмущенной зоны (a) и стационарные профили концентрации электрических зарядов (b). Здесь и далее нумерация кривых соответствует таблице

Скачать (127KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Вид стационарной фазовой плотности $Q=J^{\ast}f$ распределения положительных (a) и отрицательных (b) ионов в пристеночном слое тела

Скачать (270KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Поведение радиальных профилей тепловых характеристик возмущенной зоны в ходе ее развития: a и b — температура $T_{+}$ и радиальная плотность теплового потока положительных ионов $q_{r+}$; c и d — температура $T_{-}$ и радиальная плотность теплового потока отрицательных ионов $q_{r-}$

Скачать (343KB)
Метаданные

© Авторский коллектив; Самарский государственный технический университет (составление, дизайн, макет), 2025

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».