流体模型的一点思考

低气压射频等离子体源的流体力学模型赵书霞PSEG课题组大连理工大学2018年04月15日第一届等离子体创新应用青年论坛西安报告提纲输运方程的理论基础等离子体各粒子体系的守恒律及其耦合机制中性气体成分的输运过程带电粒子的输运过程等离子体的化学动力学电磁场模型和功率耦合方式流体模型精细化研究的意义1.输运方程的理论基础

基于统计规律和粒子速度分布函数Boltzmann方程及其矩理论

基于多成分质量输运理论混合物的连续性和动量守恒方程（TheNavier-Stocksequation）质量和摩尔分数方程（TheMaxwell-Stefanequation）等温近似和传热理论

2.粒子体系的守恒律及其耦合机制粒子体系的守恒律质量守恒电子的连续性方程离子的连续性方程中性成分的连续性方程动量守恒电子的漂移扩散近似离子的全动量守恒方程中性成分的扩散方程基于对流的中性成分扩散方程能量守恒电子的能量守恒方程（能量沉积和功率消耗等）重粒子的室温近似（非平衡特性）2.粒子体系的守恒律及其耦合机制粒子体系守恒律的耦合机制耦合方式1:耦合方式2:耦合方式3:带电粒子的输运中性粒子的输运电子的输运重粒子的输运电子的输运离子的输运重粒子的输运MAPSofDUTCOMSOLofUSAPegsusofJapan2.粒子体系的守恒律及其耦合机制粒子体系守恒律的传递形式每种粒子均有一套守恒方程基于波尔兹曼方程的矩理论耦合体现在标量传递，如密度和温度计算混合物的输运计算各粒子的质量分数基于多成分质量输运理论耦合体现在矢量传递，如速度A.各粒子体系是相对独立的！B.各粒子体系是相对集成的！3.中性气体成分的输运过程中性与带电粒子输运过程研究的起源中性粒子输运的具体物理过程CCP里：先有中性粒子的输运研究，基于化学气象沉积工艺ICP里：比CCP晚，先有带电粒子的输运研究，基于刻蚀工艺静滞扩散和消耗弛豫对流加热4.带电粒子的输运过程带电粒子的输运是热力学过程！扩散、迁移、热传导和热扩散等电子和离子跟背景气体之间的弹性（动量转移）碰撞频率Graves

formulaLangevinmigrationDiffusioncoefficientsLennardJohnpotentialEinsteinrelation存在的问题：分子间相互作用势考虑不完善公式来源不明确公式的适用性考虑不周忽略靶粒子的运动输运系数和方程解耦DUT的大创项目研究结果：实验测量的输运系数SwarmtheoryMonteCarlo模拟5.等离子体的化学动力学

粒子的连续性方程电子的能量守恒方程

粒子的产生和消耗功率沉积和能量损耗数据库

非弹性碰撞

化学反应

阈值能量

反应速率数据库如何准备

原子和分子物理

速率系数和碰撞截面

测量原理和计算理论

粒子模拟技术重要问题

不确定性分析

敏感性分析

验证机制

构建规范

化学反应数据库的举足轻重的地位构建合理规范的数据库和其理论基础

增强等离子体数值仿真的有效可靠性6.电磁场模型和功率耦合方式电磁场模型静电问题：单频CCP源DC放电电磁问题：CCP源的电磁效应ICP源的模式转化泊松方程：电压源激励：边界条件

流源激励：外电路模型麦氏方程：时域求解：FDTD频域求解：谐波近似傅里叶变化的辅助功率耦合方式局域的欧姆加热机制静电场同时参与质量和能量的输运以及功率耦合电磁场只参与功率耦合7.流体模型精细化研究的意义流体模型的偏差来源分析：方程的推导输运系数的多样性耦合方式的多样性化学反应数据库的理论不明确流体模型近似是否精确？数值计算截断误差代码出错率和变量精度流体模型的硬伤：输运方程~波尔兹曼方程~完全可逆的弹性碰撞理论反应数据库~化学反应动力学~不可逆非弹性碰撞硬性拼接缺乏深层次物理理论和数学体系的支撑模拟不可靠定性分析基本问题不清楚，如空间分布尚做不到精准的定量分析低温等离子体流体力学模型丈量等离子体的好尺子！7.流体模型精细化研究的意义电子能量守恒方程的数学变形电子温度随功率的非单调变化提供较为完美的解释机制综合利用方程的物理和数学特性新型的电子能量守恒方程传统的电子守恒量方程

能量消耗过程的特性：激发转电离功率与密度比值的寓意：趋服效应精细化研究可以增强我们对流体力学模型的控制力，从而收获更多的物理机理。恳请各位同仁批评指正！承载思考的参考文献1M.M.Turneretal.,“Simulationbenchmarksforlow-pressureplasmas:Capacitivedischarges,”PhysicsofPlasmas

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