CN108229067A - 天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统 - Google Patents

天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线‑激波管‑天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统，确定激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构和实验条件；确定仿真的区域大小、结构；确定材料电磁参数，在程序中建立仿真区域的三维电磁仿真模型；根据实验条件仿真得到激波管实验段中的流场分布；将流场仿真数据耦合到三维电磁仿真模型的网格中，得到全空间电磁网格上的流场数据；实现流场网格参数与电磁网格参数的耦合；将耦合后的流场电磁参数填充到三维电磁仿真模型中，运行仿真程序，得到仿真结果。本发明采用程序仿真真实实验过程，将流场仿真与电磁仿真相结合，更加真实地模拟电磁波与激波管中等离子体相互作用。

Description

天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统
技术领域
本发明属于电磁技术领域，涉及一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法及仿真系统，用于研究电磁波与等离子体相互作用，可用于仿真电磁波与等离子体的相互作用，非均匀等离子体对电磁波传输特性的影响，模拟电磁波与激波管中等离子体相互作用的实验过程等。
背景技术
激波管是许多现代科学技术领域中的重要的试验研究工具。它广泛应用于气体物理、化学动力学、高超声速气体动力学、电磁流体力学等领域。是实验研究电磁波与等离子体相互作用的一种重要实验装置。
激波管本质上是一根普通的管子；它的一端可以是开口的或闭口的，另一端一定要是闭口的才行。用一个膜片把管子分为两段，在其中最初分别充满不同压力的气体，形成高压端和低压端；膜片在压力差下破碎后形成激波，可用于研究等离子体。其具有获得高温气流的方法简单、状态稳定并且有相当洁净的炽热气流；只要根据初始条件和准确地测量激波速度这一个参量就能可靠地求出其余流动参数；其缺点主要是试验持续时间很短。
目前对电磁波在等离子体中的传输特性研究中激波管是主流设备之一，对该过程的仿真一般采用一维传输模型，该模型具有简单、快速的优点，但是在实际的激波管试验中，等离子体流场具有非均匀性，而且电磁波在激波管壁上会有反射，在等离子体中会有折射、散射等现象，一维模型无法对这些因素进行模拟，迫切需要一种更加接近真实情况的仿真系统。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，采用程序仿真真实实验过程，将流场仿真与电磁仿真相结合，更加真实地模拟电磁波与激波管中等离子体相互作用，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的另一目的是，提供一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真系统。
本发明所采用的技术方案是，一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，确定激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构和实验条件；
步骤2，根据步骤1得到的信息确定所要仿真的区域大小、结构；
步骤3，根据步骤1确定的材料电磁参数，在程序中建立步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型；
步骤4，按照激波管实验初始条件仿真激波管中的流场分布；
步骤5，对步骤4中的流场进行提取，得到激波管实验段的流场仿真数据；
步骤6，将流场仿真数据耦合到步骤3建立的三维电磁仿真模型的网格中，得到全空间电磁网格上的流场数据；
步骤7，利用步骤6得到的耦合后的电磁网格上的流场数据计算电磁仿真所需要的等离子体频率ωp及碰撞频率νc，实现流场网格参数与电磁网格参数的耦合；
步骤8，将耦合后的流场电磁参数填充到步骤3得到的三维电磁仿真模型中，运行仿真程序，仿真结束后对发射天线发射和接收天线接收到的电磁信号进行处理，得到仿真结果。
本发明的特征还在于，进一步的，所述步骤6中，将流场仿真数据耦合到步骤3建立的三维电磁仿真模型的网格中，具体为：对流场仿真数据分别在三个维度上进行插值处理，x方向电子密度的计算：流场仿真数据中沿x方向节点数为nx个，流场节点对应的电子密度用ne(i)表示，其中i表示流场节点编号；步骤3中建立的三维电磁仿真模型的激波管中的等离子体区域x方向网格数为Nx，电磁网格对应的电子密度用Ne(j)，j表示电磁网格编号；采用公式(1)(2)(3)确定x方向所有电磁网格对应的电子密度，实现流场电子密度与电磁仿真网格在x方向上的耦合：
其中，int表示去余取整，M代表流场两个节点之间对应的电磁网格数量；在进行其中某一维度的操作时，其余维度流场数据保持不变；对y方向和z方向上做相同处理，将流场电子密度映射到全空间电磁网格的相应位置，得到全空间电磁网格上的电子密度Ne；采用相同的耦合方法得到全空间电磁网格上的中性粒子数密度nm、流场温度、电子温度Te、气体压强、气体密度。
进一步的，所述步骤7中，等离子体频率ωp及碰撞频率νc根据公式(4)(5)计算得到：
其中，e为电子电量，me为电子质量，ε0为真空介电常数，σe,n为组分n与电子的动量交换截面，k为玻耳兹曼常量。
进一步的，所述步骤3中，在程序中建立步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型，具体为：通过建模导入或者直接在程序中建立一个包含整个仿真区域的计算空间，根据需要仿真的电磁波频率和材料电磁参数进行离散，得到三维电磁材料的数组，并根据仿真区域的材料位置确定相应位置的网格材料和电磁参数，得到步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型。
本发明所采用的另一技术方案是，一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真系统，包括
激波管实验装置的信息获取模块，用于获取激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构和实验条件；
仿真区域确定模块，用于根据激波管实验装置的信息确定所要仿真的区域大小、结构；
电磁仿真模型建立模块，用于根据激波管实验装置所用材料的电磁参数，在程序中建立仿真区域的三维电磁仿真模型；
激波管中流场分布的仿真模块，用于按照实验初始条件仿真激波管中的流场分布；
流场仿真数据提取模块，用于在激波管的仿真流场中提取实验段的流场仿真数据；
耦合模块，用于将实验段流场仿真数据耦合到三维电磁仿真模型的网格中，并计算得到电磁仿真所需要的等离子体频率ωp及碰撞频率νc；
仿真结果获取模块，用于将耦合后的流场电磁参数填充到三维电磁仿真模型中，运行仿真程序，得到仿真结果。
进一步的，所述激波管实验装置，包括激波管，激波管包括高压段和低压段，低压段的端部设有实验段，实验段中填充有耦合后的等离子体，实验段的周围设有金属壁，垂直于激波运动方向的实验段两侧分别设有窗口，两个窗口的外侧分别设有发射天线和接收天线，发射天线、接收天线安装于屏蔽仓内；所述仿真区域包括发射天线、实验段、实验段中填充的等离子体、接收天线、屏蔽仓。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，具有以下优点：
1、由于本发明采用程序仿真真实实验过程，可极大降低成本；在研究电磁波与等离子体相互作用的过程中更加灵活高效。
2、本发明直接将流场仿真与电磁仿真相结合，使得仿真过程更加合理、准确。
3、本发明直接建立了电磁波在激波管等离子体中传波特性的激波管实验装置的三维仿真模型，完全按照实际试验系统建模分析，对试验过程中的诸多反射、折射因素都可仿真分析，能够研究非均匀流场与电磁波的相互作用，更加合理地仿真试验过程，更加经济高效的研究电磁波与等离子体相互作用，更加真实地仿真电磁波与激波管中等离子体相互作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明仿真的激波管实验装置的结构示意图。
图2是本发明仿真区域结构组成示意图。
图3是本发明在程序中建立的三维电磁仿真模型的仿真示意图。
图4是本发明仿真得到的激波管实验段中流场分布示意图。
图5是本发明激波管中等离子体区域的流场网格分布参量与电磁网格耦合的流场分布示意图。
图中，1.高压段，2.低压段，3.实验段，4.发射天线，5.接收天线，6.屏蔽仓，7.金属壁，8.窗口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明描述的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。
本发明天线-激波管-天线等离子体电磁特性仿真模型的仿真方法，基本思路为：根据激波管实验装置的结构外形、参数、材料，结合激波管实验条件仿真激波管中等离子体流场的分布；同时根据真实情况建立激波管实验段三维电磁仿真模型，将流场仿真结果与电磁仿真中等离子体区域相耦合，确定天线的工作频率、结构并建模，获取仿真结果。
本发明天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，确定激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构，实验条件；激波管实验装置的结构，如图1-2所示，包括激波管，激波管包括高压段1和低压段2，低压段2的端部设有实验段3，实验段3中填充有耦合后的等离子体，垂直于激波运动方向的实验段3两侧分别设有窗口8，两个窗口8的外侧分别设有发射天线4和接收天线5；
步骤2，根据步骤1得到的信息确定所要仿真的区域大小、结构，如图2所示，实验段3的周围设有金属壁7，发射天线4、接收天线5安装于屏蔽仓6内；
步骤3，根据步骤1确定的材料参数，在程序中设定相应的材料电磁参数，根据步骤2中确定的仿真区域的结构尺寸，通过建模导入或者直接在程序中建立一个包含整个仿真区域的计算空间，根据需要仿真的电磁波频率和材料电磁参数进行离散，得到三维电磁材料的数组，并根据仿真区域的材料位置确定相应位置的网格材料和电磁参数，建立步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型，三维电磁仿真模型如图3所示；所述仿真区域包括发射天线4、实验段3、实验段3中填充的等离子体、接收天线5、屏蔽仓6；确保仿真区域发射天线4、接收天线5所在区域与真实情况一致，即发射天线4、接收天线5安装在屏蔽仓6中，不会受到除窗口8外周围环境的电磁干扰；
步骤4，按照实验初始条件仿真激波管中的流场分布；
步骤5，对步骤4中的流场进行提取，得到激波管实验段中的流场仿真数据，如图4所示；
步骤6，将流场仿真数据耦合到步骤3所建立的三维电磁仿真模型的网格中；对流场仿真数据分别在三个维度上进行插值处理，以x方向电子密度为例进行说明：流场仿真数据中沿x方向节点数为nx个，流场节点对应的电子密度用ne(i)表示，其中i表示流场节点编号；步骤3中建立的三维电磁仿真模型中激波管中的等离子体区域x方向网格数为Nx，电磁网格对应的电子密度用Ne(j)，j表示电磁网格编号；采用公式(1)(2)(3)确定x方向所有电磁网格对应的电子密度，实现流场电子密度与电磁仿真网格在x方向上的耦合：
其中，int表示去余取整，M代表流场两个节点之间对应的电磁网格数量，相应的电磁网格流场参量通过这两个流场节点数据进行插值得到；公式(2)和公式(3)联合遍历整个电磁网格x方向区间，求得整个x方向电磁网格上的电子密度；
在进行其中某一维度的操作时，其余维度流场数据保持不变，对y方向和z方向上做相同处理，将流场电子密度映射到全空间电磁网格的相应位置，得到全空间电磁网格上的电子密度Ne，如图5所示；采用相同的耦合方法得到全空间电磁网格上的中性粒子数密度nm、流场温度、电子温度Te、气体压强、气体密度。
步骤7，利用步骤6得到的耦合后的电磁网格上的流场数据采用公式(4)(5)计算得到电磁仿真所需要的等离子体频率ωp及碰撞频率νc，实现流场网格参数与电磁网格参数的耦合；
其中，e为电子电量，me为电子质量，ε0为真空介电常数，σe,n为组分n与电子的动量交换截面，k为玻耳兹曼常量。
步骤8，将耦合后的流场电磁参数填充到步骤3得到的三维电磁仿真模型中，形成模拟电磁波与激波管等离子体相互作用的系统模型，运行仿真程序，仿真结束后对发射天线发射和接收天线接收到的电磁信号进行处理，得到仿真结果，进行分析。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤1，确定激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构和实验条件；
步骤2，根据步骤1得到的信息确定所要仿真的区域大小、结构；
步骤3，根据步骤1确定的材料电磁参数，在程序中建立步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型；
步骤4，按照激波管实验初始条件仿真激波管中的流场分布；
步骤5，对步骤4中的流场进行提取，得到激波管实验段的流场仿真数据；
步骤6，将流场仿真数据耦合到步骤3建立的三维电磁仿真模型的网格中，得到全空间电磁网格上的流场数据；
步骤7，利用步骤6得到的耦合后的电磁网格上的流场数据计算电磁仿真所需要的等离子体频率ωp及碰撞频率νc，实现流场网格参数与电磁网格参数的耦合；
步骤8，将耦合后的流场电磁参数填充到步骤3得到的三维电磁仿真模型中，运行仿真程序，仿真结束后对发射天线发射和接收天线接收到的电磁信号进行处理，得到仿真结果。
2.根据权利要求1所述的一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤6中，将流场仿真数据耦合到步骤3建立的三维电磁仿真模型的网格中，具体为：对流场仿真数据分别在三个维度上进行插值处理，x方向电子密度的计算：流场仿真数据中沿x方向节点数为nx个，流场节点对应的电子密度用ne(i)表示，其中i表示流场节点编号；步骤3中建立的三维电磁仿真模型的激波管中的等离子体区域x方向网格数为Nx，电磁网格对应的电子密度用Ne(j)，j表示电磁网格编号；采用公式(1)(2)(3)确定x方向所有电磁网格对应的电子密度，实现流场电子密度与电磁仿真网格在x方向上的耦合：
其中，int表示去余取整，M代表流场两个节点之间对应的电磁网格数量；在进行其中某一维度的操作时，其余维度流场数据保持不变；对y方向和z方向上做相同处理，将流场电子密度映射到全空间电磁网格的相应位置，得到全空间电磁网格上的电子密度Ne；采用相同的耦合方法得到全空间电磁网格上的中性粒子数密度nm、流场温度、电子温度Te、气体压强、气体密度。
3.根据权利要求2所述的一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤7中，等离子体频率ωp及碰撞频率νc根据公式(4)(5)计算得到：
其中，e为电子电量，me为电子质量，ε0为真空介电常数，σe,n为组分n与电子的动量交换截面，k为玻耳兹曼常量。
4.根据权利要求1所述的一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真方法，其特征在于，所述步骤3中，在程序中建立步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型，具体为：通过建模导入或者直接在程序中建立一个包含整个仿真区域的计算空间，根据需要仿真的电磁波频率和材料电磁参数进行离散，得到三维电磁材料的数组，并根据仿真区域的材料位置确定相应位置的网格材料和电磁参数，得到步骤2中仿真区域的三维电磁仿真模型。
5.一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真系统，其特征在于，包括
激波管实验装置的信息获取模块，用于获取激波管实验装置的外形尺寸、所用材料电磁参数、结构和实验条件；
仿真区域确定模块，用于根据激波管实验装置的信息确定所要仿真的区域大小、结构；
电磁仿真模型建立模块，用于根据激波管实验装置所用材料的电磁参数，在程序中建立仿真区域的三维电磁仿真模型；
激波管中流场分布的仿真模块，用于按照实验初始条件仿真激波管中的流场分布；
流场仿真数据提取模块，用于在激波管的仿真流场中提取实验段的流场仿真数据；
耦合模块，用于将实验段流场仿真数据耦合到三维电磁仿真模型的网格中，并计算得到电磁仿真所需要的等离子体频率ωp及碰撞频率νc；
仿真结果获取模块，用于将耦合后的流场电磁参数填充到三维电磁仿真模型中，运行仿真程序，得到仿真结果。
6.根据权利要求5所述的一种天线-激波管-天线等离子体电磁特性的仿真系统，其特征在于，所述激波管实验装置，包括激波管，激波管包括高压段(1)和低压段(2)，低压段(2)的端部设有实验段(3)，实验段(3)中填充有耦合后的等离子体，实验段(3)的周围设有金属壁(7)，垂直于激波运动方向的实验段(3)两侧分别设有窗口(8)，两个窗口(8)的外侧分别设有发射天线(4)和接收天线(5)，发射天线(4)、接收天线(5)安装于屏蔽仓(6)内；所述仿真区域包括发射天线(4)、实验段(3)、实验段(3)中填充的等离子体、接收天线(5)、屏蔽仓(6)。
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