低温等离子体放电模拟软件VORPAL.pdf

VORPAL 和放电等离子体模拟和放电等离子体模拟 ：现状与进展现状与进展 上海锦科信息科技有限公司 info@ 11. VORPALVORPAL概述概述 2. 放电过程的PIC模拟 3.3. 电磁模型和电磁模型和cuttingcutting-cellcell 4. 静电模型和求解器 5. 碰撞和电离模型 6. 粒子合并及其他trick 上海锦科信息科技有限公司 1 VORPAL 概述 • VORPAL 是Tech-X公司开发的等离子体PIC模拟程序。 • 2004年年，JCP 文章文章 • 2004年，Nature 封面文章 •• 从以来年以来，经过多个版本更新经过多个版本更新，已经发展为已经发展为一个具有多种功能扩个具有多种功能扩 展的等离子体综合模拟程序 上海锦科信息科技有限公司 2 The concept of PIC algorithms 上海锦科信息科技有限公司 3 放电过程的PIC模拟 • 放电过程一般来说是碰撞和电离过程主导的。由于电子-背景气体碰撞 截面和电离截面都依赖于能量截面和电离截面都依赖于能量，因此能量分布函数会强烈地影响放电行因此能量分布函数会强烈地影响放电行 为。 • 一般来说，碰撞几率较高的时候，能量分布为Maxwellian。而碰撞几 率低且粒子能量较高的时候，分布会强烈偏离麦克斯韦形式，于是需要 动理学模拟。 •• 在放电问题中存在另在放电问题中存在另一个麻烦个麻烦，即边界面行为即边界面行为。边界条件的复杂使得问边界条件的复杂使得问 题的处理变得更加困难。 • 因为涉及到动理学和边界行为，低气压放电等离子体问题常常需要PIC 模拟模拟。 • 此外，涉及到壁面二次电子等行为的放电问题，例如multipacting等过 程也需要程也需要PICPIC模拟模拟。。 上海锦科信息科技有限公司 4 主要困难 • 放电过程的模拟，原理上就是PIC-MCC。即用标准的PIC算法处理等离 子体运动子体运动，用蒙特卡洛方法模拟粒子之间的碰撞用蒙特卡洛方法模拟粒子之间的碰撞。但相比于其他问题的但相比于其他问题的 PIC模拟，放电问题存在一些特有的问题 – 1. Grid Heatingg 问题更严重：在放电过程中存在电离碰撞，网格自 加热主要的不会提高等离子体温度，而是增加电离率提高等离子体 密度，提高的等离子体密度进一步加强了Grid Heating。 –– 22.模拟时间很长模拟时间很长，由于放电特征时间主要决定于电离截面和离子渡越由于放电特征时间主要决定于电离截面和离子渡越 时间，而这两者涉及到微秒甚至毫秒的时间间隔 – 3.常常是静电模型的，而静电场方程的全局特性使其高效并行十分困 难难，于是计算性能问题变得非常严重于是计算性能问题变得非常严重。 – 4.放电腔室和电极结构都可具有复杂的几何形状，因此必须具有对复 杂几何外形建模的能力杂几何外形建模的能力。。此外此外，，考虑到电磁波的反射考虑到电磁波的反射，，在曲线部分在曲线部分 应该能够避免阶梯逼近 – 5.能够处理粒子数的雪崩 上海锦科信息科技有限公司 5 电磁模型和cutting-ce