第6章等离子体中的输运过程技巧.ppt

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第6章 等离子体中的输运过程 ;等离子体内部存在密度、速度、温度的空间不均匀或存在电场时,将会出现粒子流、动量流、能量流或电流,这些属于一定物理量在空间的传输过程称输运过程,也涉及等离子体中粒子间的碰撞。 由于等离子体中粒子间的库仑长程相互作用、离子与电子质量相差很大,而且往往存在强磁场,因此等离子体中的输运现象变得十分复杂。等离子体输运现象在受控核聚变研究的很多方面都有重要作用,因此输运过程在等离子体物理中占有重要地位。 ;严格处理等离子体的输运问题,应该用微观的动理论,采用分布函数描述,用动理论方程研究分布函数的时间演化,然后一切宏观量(如密度、平均速度、温度、电流密度等)都是由速度分布函数对相应微观量求平均值得到,从而得到等离子体宏观行为。 如果只需要了解一些宏观量的变化,也可以从磁流体力学方程出发进行研究。磁流体力学方程,包括每一种粒子的连续性方程、运动方程、能量方程和广义欧姆定律等,这些方程组中的电磁场如忽略波场,即只保留外场,于是不需要麦克斯韦方程组,这样磁流体力学方程组就是输运方程组。因此需要联立求解等离子体中所有带电粒子组成的流体的输运方程组,就可得到完整的输运过程的描述,输运方程中的系数通过动理学方程求得。本章主要介绍的就是这方面内容。 ;6.1 等离子体的输运方程组;2. 运动方程 为弹性碰撞造成的对α粒子的摩擦阻力, 表示不同类粒子弹性碰撞的动量交换。 为粒子弹性碰撞引起的对粒子的粘滞力,对于理想流体 。 3. 能量平衡方程 为热流矢量, 为交换的热能。 ;对输运方程组说明两点: (1)输运方程组不封闭。现在方程组中未知的场变量为nα、uα、Tα,理应由输运方程组自洽求解。现在输运方程组中还有两个高阶矩 和 ,在现有的输运方程组内无法知道的,因此需要设法解决。通常做法是依靠实验定律,把高阶矩用低阶矩表示。如傅里叶热传导定律: 为热传导系数,可采用实验测定的数据; 粘滞张量 由牛顿粘滞定律用uα的分量表示, 或采用理想流体近似 经过这样处理,方程组就可以封闭。 ;输运方程组中含的碰撞项可以从动理学方程得到 式中 为α,β粒子间动量平衡的平均碰撞频率, 为温度平衡的平均碰撞频率。 (2)输运方程组中的E、B是外场,不包含等离子体自身运动产生的波场,因而不需要麦克斯韦方程组。输运方程与磁流体力学方程的重要区别是输运方程组考虑弹性碰撞项,但不考虑波场,因而不存在和麦克斯韦方程组耦合的问题。;6.2 库仑碰撞 ;引入质心坐标与相对坐标 因无外力 为质心运动速度, 为折合(约化)质量。 结果:质心保持匀速直线运动,相对运动相当于质量为μ的一个粒子受力心固定的有心力 作用的单粒子运动。于是在质心坐标系中,就可以把二体碰撞化为单体问题,使问题简化。 ;2. 碰撞微分截面 在质心坐标系中,一个处在远处、质量为μ、电荷为qα的粒子,以速度u射向固定在O点的电荷qβ为的另一个粒子,其瞄准距离为b(也称碰撞参量),受有心力 的作用而发生偏转,其偏转角为θ,偏转后速度为u’,经历这样一个运动过程的称为二粒子碰撞(或称散射)。 当 为库仑作用力, 偏转角θ与碰撞参量b 之 间关系,可以证明为 或; 当b=b0 时,θ=π/2,b0 是偏转角为π/2时的碰撞参量,称近碰撞参量。因为b<b0 ,θ>π/2,称为近碰撞。 当 为小角度偏转,称远碰撞。 设每秒单位面积入射粒子数为I ,打在 的粒子数为 ,这些粒子被散射为到 立体角 内,则每秒单位面积强度为I的粒子束被散射到立体角 内的几率 ; 称碰撞(散射)微分截面。其物理意义:单位时间单位面积入射1个粒子,散射到 的单位立体角内的几率。因为几率总是正的,所以在式中 取了绝对值。 由 得 碰撞微分截面 这就是著名的卢瑟福散射公式。 ;如果考虑两个带电粒子间的作用受到其它带电粒子的屏蔽效应,则可用屏蔽库仑势 采用经典和量子(Born近似)的方法,都可求得散射微分截面 ;6.3 动量变化率与平均碰撞频率 ;在等离子体中带电粒子间是屏蔽的库仑作用,当力程 (德拜屏蔽距离)远大于粒子间平均距离 (n为粒子数密度)时,观察一个特定粒子运动,在任何时刻它都同时受到德拜球内所有粒子(粒子数

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