等离子体

等离子体是一种物质状态，类似于部分或完全由未相互绑定的带电颗粒（如离子和电子）组成的气体。

什么是等离子体？

每种原子都具有电离能量 — 从一摩尔气体原子移除一摩尔电子所需的能量。当原子遇到足以克服其电离能量的能量时，原子分解成一个电子和一个正电荷离子。



这些未绑定的带电颗粒是等离子体的组分。当仅电离气体样本中的一小部分原子时，气体可以显示等离子体状属性。电磁场会影响未绑定的带电颗粒 — 作为等离子体一起移动。

有各种不同类型的等离子体，可以通过其属性（如气体密度和电子密度）的差异体现其特性。例如，等离子体存在于以下位置：



等离子体建模

不同类型的等离子体的建模方式因其属性和成分而有所不同。制定了以下建模假设：
  • 当等离子体处于局部化学平衡 (LCE) 时，父气体成分、温度和压力用于确定处于准稳态状态的等离子体成分。由于已知气体成分、温度和压力，可以预先将等离子体材料属性表格化。
  • 当等离子体处于非局部化学平衡（非 LCE）时，等离子体的成分波动，这意味着必须求解化学反应方程。
  • 当等离子体处于局部热平衡 (LTE) 时，电子的温度等于父气体的温度。
  • 当等离子体处于非局部热平衡（非 LTE）时，电子的温度高于父气体的温度。但是，由于电子的大小很小，因此将气体的总体温度视为父气体的温度。静态温度定义迭代过程中的最低电子温度。

目前，在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可对以下工业等离子体类型建模：

  • 冷（低温）等离子体

    这种等离子体包含由加热电子通过感应或容性耦合而生成的弱电离颗粒。由于等离子体密度比气体密度小，稀释等离子体组分对气体属性的影响可以忽略不计。因此，非 LTE 等离子体称为冷等离子体，因为气体的总体温度被视为父气体的温度。但是，高能量电子仍然可以通过与背景气体颗粒碰撞并使这些颗粒电离来触发化学反应。冷（低温）等离子体用于等离子体 CVD、等离子体执行器、电晕和流体放电等应用中。

    在 Simcenter STAR-CCM+ 中，在计算介电表面和气体/等离子体之间的交界面旁边的充电组分动力时，可以使用电荷累积模型来考虑电荷累积。

    请参见：冷（低温）等离子体建模。

  • 弧等离子体

    这种等离子体包含当高电压、大电流在两个电极之间产生电弧时生成的高度电离颗粒。由于此电弧穿过气体，气体颗粒被强烈加热而电离。由于颗粒强烈电离，因此假设化学平衡，并且由于颗粒频繁碰撞，因此电子保留在与气体温度热平衡的状态。但是，颗粒可能在电极或壁面附近处于低温平衡状态。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可以使用电阻加热模型对焦耳加热产生的较大温度建模。

    弧等离子体用于等离子体炬、断路器、焊接炬和热喷涂等应用中。

    请参见：等离子体弧建模。

  • 反应流体等离子体

    对于此类型的等离子体，零部件或整个系统中的温度足够低，可以考虑电离和激励等化学反应。通过计算等离子体化学，可模拟等离子体化学发挥重要作用的应用，如等离子体增强 CVD 和物理气相沉积（例如，溅射）。

    请参见：反应流体等离子体建模。

对于可以假定电荷中性的等离子模拟，Simcenter STAR-CCM+ 还提供了双极性扩散模型。

请参见双极性扩散模型参考。

注如果气体密度（克努森数）变得太小，则使用纳维-斯托克斯方程对气体流体建模时所需的连续体假设将变为无效。