模拟vs实验:数值模型勘误实验结果一例

实验模拟对照 发布于 2023-9-11 00:45

本期以一例简单的测量快速电离波电场/电流实验为例,展示一个数值模型勘误实验结果的过程。

实验和模拟结果总是不一致,本是科研中的常态了——很可惜的是,很多情况下,这种不一致却常常被有意无意因为一些偏见甚至一些很不尊重物理规律的“哲学”理由而忽略掉,比如:

1)“这是实验/模拟的误差,自然的震荡...”

2)“肯定是实验对啊,测量的结果是客观存在的,计算结果是程序编的”

3)“实验和模拟太像反而就不对了”

这些偏见和解释,因为能够一定程度上掩盖实验和模拟结果不一致的尴尬,以至于成为一种面对质疑时的“万能回答”。

在工坊君看来,实验测量和数值计算如同手足,缺少数值验证的实验结果和缺少实验验证的计算结果,可靠性都是很值得怀疑的测量和计算结果必须在所关注的范围内互相吻合,存在的差别,应当予以合理的定量的解释。本期以一例简单的测量快速电离波电场/电流实验为例,展示一个数值模型勘误实验结果的过程。

实验过程

如下图所示,将一根同轴电缆截断并连接放电管(粉色部分),缆芯连接高压和低压电极,屏蔽铜网连接外部远场金属(黄色部分),灰色部分为绝缘材质。线缆中产生施加高压脉冲时,放电管内将会形成由高压电极向低压电极移动的快速电离波。电离波传播完毕后放电管中将充满准中性等离子体,此时等离子体内电场主要受高低压电极电势差决定。



通过回流分流器(下图中BCS,红圈标注)(详细介绍见《实验vs模拟(四):“优雅”的回流分流诊断法》)可以测量通过放电管的电流大小以及两电极的电压大小从而计算快速电离波传播前后的电场变化;通过电容探针(下图中CP,绿圈标注)可以测量电离波传播过程中放电管沿线各点电压的瞬态变化从而求导计算电场


第一次实验结果——出现错误

通过电容探针CP测量的电场,以及通过回流分流器BCS测量的电流、电场如下图所示:

上图黑线为CP测量结果,电容探针能够捕捉到(但是不准)快速电离波经过时的峰值电场;蓝线为BCS测量结果,能够准确测量等离子体形成后内部的整体电场。黑线第一个峰之前快速电离波尚未形成,第二个峰之后等离子体已经充满放电管,理论上这两个时间段黑线蓝线应当重合。也就是说——通过两种方法测量得到的电场值,不一样,可能有一个有错,也可能两个都错了。


第一次数值模拟——发现错误

OK,祭出我们的法宝,数值模拟。使用数值光度计代码NANA(详见本期其他推送),先以实验电场(黑线)为输入参数,计算理论电流值:

嗯,这就尴尬了。计算电流和实验电流,不仅是数值不同,而且连形状都不同——所以,现在我们得到了实验与实验、实验与模拟,各不相同的三组数据

!接下来就要静下心来分析了:

首先,NANA代码经过其他基准算例的测试校验(见本期其他推送),在通过电场计算电流这种基本问题上,出现差错的可能性是最小的。那么应该是电容探针测量电场实验结果有问题。

电容探针CP是在放电管外测量电场值的,而BCS测量的是放电管内部的电场。能否通过BCS结果(蓝线)后半部分的电场值,适当等比缩小CP结果呢?——还是不行,缩小CP电场的后果,就是连计算电流的峰值和实验电流也不一样了,将会产生第四组不同的数据。由此猜测——两种方法的实验测量结果都不对!

那么问题来了,正确的电场在哪里?


第二次数值模拟——找出错误

只能再次祭出数值模拟,启动NANA代码。

这次,NANA代码使用的输入参数改为实验电流,输入任意初始电子密度后NANA通过自行迭代,可以反推出电场大小(这种方法得到的初始时刻电场误差较大,需要二维模拟进行校正,但是后续时刻计算结果相对可靠稳定)。比较计算和实验电场:

不同初始电子密度计算下,红线蓝线指示的计算电场值都会在10ns之后稳定收敛于一条曲线上——而这条曲线,明显高于实验测量电场值。

所以这个锅,还是得实验去背。


第二次实验结果——排除错误

实验党听说了这个结果,起初是震惊的。但是在铁一般的事实面前,还是怨念的重新检查了实验过程和数据处理过程。期间发现了几个重大错误:气体压力记录有误;放电管长度记录有误;电容探针校准不当。重新调整实验,修改后处理程序后的第二次实验结果如下:

不出所料,第一次实验测量的电场值偏小了。调整后的电场值,相对第一次结果并非等比放大/缩小,而是在后半部分有较大变化。


第三次数值模拟——圆满

再再次祭出NANA代码。

首先继续以实验电流为输入值,由新的初始电子密度计算得到电场值,与测量值对比如下:

计算结果(红线)除去前半部分的自迭代过程,后半部分终于与实验吻合。改变计算模式,以测量电场为输入值,重新运行NANA代码,计算得到电流并与实验结果对比如下:

灰线是使用错误实验测量值得到的电流大小,蓝线是使用第二次测量电场得到的计算电流值,粉色点是实验测量电流值。经过两次实验和两次模拟的迭代纠错,终于在第三次模拟中,实现数值计算和实验测量的一致解。


在工坊君看来,实验或模拟出错的可能性,更多的和对应科研团队的专业水平相关。实验过程出错的可能性,一点也不比数值计算小。哪怕一个简单的测量电场、电流的实验,在一个专业的实验团队手中,也有极大的可能出现各种错误。可以想见,如果离开了数值计算,这样错误的实验结果根本难以被发现,给后续的研究带来巨大的隐患,如不慎发表更是对学术声誉的无声打击。


模拟vs实验,只有互惠,并没有赢家。


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