[发明专利]一种基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法

说明书

本发明公开了一种基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法，其改进之处在于，包括如下步骤：步骤S1：建立尘埃等离子体的数值计算方法；步骤S2：执行等离子体数值计算的非提速计算，得到非提速期的粒子荷电过程；步骤S3：执行等离子体数值计算的提速计算，得到提速期的粒子荷电过程；步骤S4：判定终止等离子体数值计算，得到最终的粒子荷电量。本发明所公开基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法，通过在尘埃等离子体数值计算过程中，先执行初始期计算，再执行多次提速计算（包括提速准备期计算和提速期计算），最后再判定并终止计算。

技术领域

本发明属于尘埃等离子体研究领域，特别涉及该领域中的一种基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法。

背景技术

当尘埃粒子悬浮在等离子体中时，将形成所谓“尘埃等离子体”，空间中的尘埃等离子体出现于星际空间、彗星、行星环和地球大气等场景，而地面上的尘埃等离子体出现在直流和射频放电、等离子体发生器、聚变等离子体和一些燃烧产物中。

尘埃等离子体中的尘埃粒子和等离子体将不可避免地发生相互作用。一方面，等离子体将通过热运动碰撞吸附在尘埃粒子上使其荷电。一旦荷电，尘埃粒子将额外受到电场力和磁场力作用，从而改变其自身的动力学行为。另一方面，荷电尘埃粒子亦能够通过电场力作用于等离子体，从而改变等离子体状态参数。

因此尘埃等离子体研究中最重要的问题就是准确掌握尘埃粒子的荷电量(荷电过程)，其直接决定了尘埃等离子体的动力学行为和状态参数。然而，真实的尘埃粒子通常不满足理想条件假设(如正球形和匀质等)，无法推导出理论公式，因此需要使用数值计算。于是凸现出一个关键问题是：为保证数值计算的有效性，要求时间步长需足够小。具体判据为：需保证一个时间步长内，等离子体中自由电子和离子的运动距离不能超过半个网格宽度。然而，一方面，自由电子的热运动速度非常高，典型值约为10⁵m/s量级。另一方面，对于小粒径的尘埃粒子(如地球极区夏季中层顶冰晶粒子粒径为10^-7-10^-8m)，为有效保留粒子形状细节，数值计算中网格宽度就需要划分得非常小。由此两个因素将共同导致判据所要求保证的时间步长非常小，也就意味着计算速度非常慢。对于许多实际场景，需要的计算时长往往不可承受。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于对数拟合的尘埃等离子体数值计算提速方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤S1：建立尘埃等离子体的数值计算方法；

使用通用的粒子云网格法，具体步骤如下：

步骤S101：设置数值网格和背景粒子的初始参数；

首先设置数值网格及网格初始参数：依据待计算的实际场景设定数值计算区域，依据实际尘埃粒子设定尘埃粒子的几何模型，并放置在计算区域中，将包含尘埃粒子的计算区域做网格化处理，相邻网格的距离差为网格宽度，设定网格标志用于表征网格的占据状态，占据状态指由尘埃粒子还是等离子体占据，依据实际等离子体设定等离子体的相对介电常数，依据实际尘埃粒子设定尘埃粒子的相对介电常数；

定义尘埃粒子荷电量，记为Q，表示粒子所携带电荷量的总数，设定步数序号为it，定义Q(it)表示尘埃粒子荷电量随时间步数的变化，即尘埃粒子的荷电过程，其初始值Q(0)由实际尘埃粒子确定，对于非金属粒子，额外将尘埃粒子荷电量分配到尘埃粒子占据的网格，得到尘埃粒子占据网格荷电量；

接着设置背景粒子初始参数：所述背景粒子，包括自由电子和离子；依据实际背景粒子设定背景粒子位置的初始值，典型情况下可设置为均匀分布在等离子体占据的网格中；依据实际背景粒子设定背景粒子速度的初始值，典型情况下可使用麦克斯韦分布；依据实际背景粒子设定背景粒子荷电量；