关于COMSOL模拟二维纳秒脉冲介质阻挡放电过程的问题（原飞书群问题迁移，20210109）

admin

各位老师、同学好！
我在使用COMSOL模拟二维纳秒脉冲介质阻挡放电时遇到了模型不收敛的问题，经过各种调试，还是没有解决问题，请老师和同学赐教。
我的SDBD放电模型参考的是T Unfer(2009)的文献，驱动电极（上极板）宽度为5.1mm，接地极（下极板）宽度为4.8mm，电极厚度为37.5μm，电介质厚度为0.3mm，计算域大小与文献保持一致，为边长76.8mm的正方形，如下图。


放电模型
在COMSOL中，电极极板是挖空的，即极板内无计算域。驱动电极上表面与大气接触，下、左、右表面与电介质接触；接地极上、左、右表面与电介质接触，无下表面。
在驱动电极上施加脉冲电压如图所示，电压峰值为14kV，计算0-100ns的放电过程。



物理模型
电子输运
模型中考虑了电子能量方程，即平均电子能量满足局部能量近似。
电子能量分布函数满足Maxwell分布。
等离子体化学反应模型
化学反应模型为COMSOL案例库中用过的4组元7反应模型，包含5个电子参与反应与2个重物质反应（彭宁电离与猝火反应）。
重物质参数
放电气体为Ar，放电气压为1个大气压，气体温度为288.15K。
边界条件
电介质层（灰色部分）满足电荷守恒。
电介质上表面、驱动电极上表面为壁边界。
电介质与空气接触面使用表面电荷积累条件。
驱动电极与空气接触的表面（上表面）为金属接触边界，电压为驱动电压，二次电子发射系数为0.01。
驱动电极与电介质接触的表面（下、左、右表面）为终端边界，电压为驱动电压，二次电子发射系数为0.01。
其他边界为零电荷、绝缘边界。
初始条件
初始电子与Ar+的数密度均为1e10 m-3，Ars的摩尔分数为1e-10，初始电子能量为4V。

空间离散
网格
生成了3套单元数不同的网格，在放电区域的壁附近进行加密，网格量分别为2万、6.8万、10.3万，示意图如下。


空间离散格式
空间离散格式采用对数函数的有限元方法，采用PARDISO求解器。


时间离散
使用手动时间步长，初始时间步长为1e-15，增长率为1.5，最大时间步长为1e-10。

三套网格均在计算进行到约1.5ns发生除0，计算发散。



计算是在不上网的电脑上进行的，上面两张图是在屏幕上拍的照，还请谅解。

请问我设置的放电模型与物理模型中有些什么问题，请批评指正！如有模型描述不够清楚的地方，也请指正。非常感谢！

admin

朱益飞建议：
1. 电子能量分布函数不对是模型不会收敛的主要原因
2. 表面纳秒脉冲放电二次电子发射不重要，可以关闭并设置介质避免固定低电子密度和电子能量
3. 求解器稳定性设置可以设置迭代次数增加、容差减小
4. 注：以上均为COMSOL求收敛的权宜之计：COMSOL的算法决定了其不可能准确的计算大气压表面放电过程，更不可能复现T. Unfer的结果，只能用于定性参考。

从拾源建议：
1把局部能量近似改成局部场近似，电子温度发散问题目前comsol很难搞定。
2.上升沿和平沿之间要设置成二次可微过渡圆滑过渡，不要设置成分段函数。

徐双艳建议：从发散的时间点来看，网格问题占主要的，你重新调整下网格吧。
彭邦发建议：整个计算区域是不是挺大（边长76.8mm?），可以考虑不放电区域简化掉。个人建议。