工坊近期与实验团队对比协作，在进行数值计算与E-FISH实验结果对比过程中，出现了一个简单却又不那么容易解释的问题，最终在实验党与计算党的讨论沟通中得到了解决 。 ...
近年来，基于E-FISH的电场测量方法成为等离子体诊断技术中的新宠，该技术能够非接触的测量任意气体在放电过程中点电场的时间变化，引起了许多团队的兴趣。 工坊近期与实验团队对比协作，在进行数值计算与E-FISH实验结果对比过程中，出现了一个简单却又不那么容易解释的问题，最终在实验党与计算党的讨论沟通中得到了解决 。 实验/计算简介 使用如下图左所示的针尖，在大气压空气中设置1.6cm间距的针-板构型，开展脉冲放电和电场测量实验，对应的数值计算模型如下图右所示。
实验采用纳秒脉冲电压，分别测试了20kV~86kV条件下电场变化规律。典型放电电压如下图所示。
电场计算采用E-FISH方法（参考文献[1-2]），数值模拟采用PASSKEy代码（参考公众号工坊代码菜单），在相同的实验条件下，分别由两个团队独立完成实验与计算并对比。 实验电场结果 实验测量20kV和56kV电压下，距离放电尖端3mm处电场如下图所示（灰色部分结果待公开）。
实验发现，20kV电压下未见放电过程，且电场变化（红线、蓝点）与电压（黑线）变化趋势基本一致，说明20kV时空间电场为Laplace场；56kV电压下，电场与电压变化发生显著偏离，电场在电离波头部通过时快速上升、下降，并在放电通道击穿后重新增加。 计算结果 使用经典流体方法，在完全相同的初始条件（背景电子密度1015 m-3，针尖处1018 m-3）和边界条件下分别计算了20kV和56kV的放电过程和电场分布如下图所示。
初步计算结果十分有趣：在放电实际不存在时，计算结果居然出现了放电流注。在放电实际存在时，计算结果则与实验吻合良好。 由实验与计算差异引起的对比思考 在以往的计算中，工坊君都是在确定存在放电的情况下，关注放电过程参数的变化规律，的确没有对放电是否存在以及模型能否预测这一现实问题进行过认真的思考。参与这次对比的实验党提出了这样的疑问： "Why can't the same initial electron density be used to predict an 'almost-close-to-Laplacian' result when the applied voltage is low and on the other hand predict a discharge when the applied voltage is higher? I understand that the actual applied voltage at which this transition occurs in the model could be different from our experiment, but does such a value of the voltage exist in the case of your simulations? Or are you saying that once you have imposed some initial electron density, that your code will automatically predict the initiation of a discharge?" 从实验党的角度看，这些问题确实令人不解：实验中，初始条件是完全相同的，仅仅是电压不同，结果就不相同；计算中，初始条件也是相同的，也是电压不同，为什么在低电压时不能得到“没有放电”这一结果？ 其实这一差异的罪魁祸首出在计算中处理初始电子密度和光电离时未加区分：放电的产生和传播，需要种子电子参与。种子电子一般通过光电离和空间中的少量电子（背景）提供。其中，光电离仅在放电开始后起主导作用（大气压下通常为1015 m-3），而在放电产生阶段背景电子至关重要（通常为104 m-3）。 本次对比计算中， 计算党没有开启光电离模块，而是使用很高的背景电子密度来代替光电离，这在确定放电存在的情况下是合理且经过验证的 ；但是如果放电本身是否存在还不确定，一般应当给定一个低电子密度，同时开启光电离模块。 经过这一轮迭代，在后续的研究中，实验与模拟结果均得到了较好的验证。工坊君感到，无论是实验还是计算党，不仅应该对实验和计算都有所了解，而且应当试图从对方的角度思考同一个问题——否则无论是实验还是计算党都很容易沉浸在自己的世界中，实验党得到了现象却道不清原因，计算党洞悉了机理却预测不对，拉大了双方的认识鸿沟。 [1] Chng, Tat Loon, et al. "Electric Field Induced Second Harmonic (E-FISH) Generation for Characterization of Fast Ionization Wave Discharges at Moderate and Low Pressures." Plasma Sources Science and Technology (2019). [2] Simeni Simeni, Marien J., et al. "Electric Field Distribution in Surface Plasma Flow Actuators Powered by Ns Pulse and AC Waveforms." AIAA Scitech 2019 Forum. 2019. p.s. 一个未解之谜：在实验测量的20kV无放电电场变化图中，电场的下降要明显快于电压下降，为什么？
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