本期推送使用工坊代码PASSKEy(PArallel Streamer Solver with Kinetics)计算一例空气条件下球电极间等离子体流注形成-火花转捩的物理过程。
本期推送使用工坊代码PASSKEy(PArallel Streamer Solver with Kinetics)计算一例空气条件下球电极间等离子体流注形成-火花转捩的物理过程。该放电完整实验由俄亥俄州立大学Igor Admovich团队完成，目的是构造一个相对均匀的等离子体环境用于研究等离子体在纳秒脉冲电压控制下的化学特性。工坊构建了与以下文献电压、几何参数完全相同的计算模型，用于验证代码并拓展实验结果。 [1] A Montello et al 2013 J. Phys. D: Appl. Phys. 46 464002 [2] D Burnette et al 2014 Plasma Sources Sci. Technol. 23 045007 [3] Ivan Shkurenkov and Igor V Adamovich 2016 Plasma Sources Sci. Technol. 25 015021 实验设置 下图所示的实验示意图中，左侧为俯视图，由顶部插入电极，左右两侧开口用于导入导出激光，正面开口用于观察荧光。反应腔正面视图见右图，两球电极相距10mm，为了研究反应机理，需形成相对均匀的放电环境，因而控制气压100Torr。
实验测量参数包括：电压 电流波形，时间分辨的放电图像 (ICCD)，N, NO, O粒子密度(LIF+TALIF)，振动温度(CARS)等信息，这些参数可以作为具体反应模型的校准参考。 数值计算 抽象简化后的计算模型如下图左侧所示。为了加快计算，仅计算球电极之间5mm×12mm范围的放电区间，右图为网格划分，等离子体区域网格进行了重点加密。
模型采用与实验相同的电压。注意到，实验电压受到限流电阻反馈，只有精确计算等离子体流注传播速度使其在正确的时间形成放电通道，才能得到与实验结果一致的计算电流。通过PASSKEy的光电离模块和高精度输运模型，可以准确捕捉流注的传播过程。 利用MPI-OPENMP混合并行方法，使用PASSKEy计算300ns的流注-火花-熄灭放电过程，包含15种组分，37个化学反应，仅仅耗时15分钟。 计算结果 电压电流特性：计算与实验电流完美吻合，电流在100ns左右跃升，表明流注传播阶段结束，火花放电开始。
放电形态：比较下图实验ICCD图像(100 ns曝光图像)与火花放电期间，计算电子密度分布，课件放电形态与区域极为类似。需要注意的是，ICCD测量的光强主要表征N2(C3)分布，与电子分布并不一定完全相同，比较计算N2(C3)密度分布将会得到更准确的结果。
由Igor Admovich团队开展的放电诊断实验，由于实验过程极为严谨，数据分析详细深刻，是从事数值计算的团队极为可靠的验证依据。本期仅验证了简单的电特性和放电形态，事实上在更长时间尺度内的化学反应过程和空气动力学响应过程，有着更丰富的变化和进一步研究的学术和应用价值。 欢迎与我们深入讨论！
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