本期速读一篇近期关于微等离子体射流混合模拟的计算-实验结合佳作。
等离子体射流是一类具有广泛应用前景的等离子体发生和应用方式。应用研究中发现，通过射频微尺寸放电，可以在大气压环境中高效形成射流。这种射流过程包含丰富的化学反应，具有精确控制反应方向和放电区域的优势，在生物医疗，材料表面处理等领域极具应用前景。
为了优化提高射频等离子体射流的控制水平，需要从等离子体物理层面加深对其的认识。面向大气压、微尺度等离子体的实验手段有限，准确的数值计算是研究并掌控射流的一把重要的“刀子”。
等离子体数值计算方法通常有整体（化学）方法、流体方法和粒子方法：
大气压、微尺度、射频等离子射流是典型的输运-反应动力学混合过程，在微尺度下电子加热效应明显，即便在大气压条件下，射频放电中电子也时刻处于非平衡态；面向应用的射流等离子体中存在丰富的重粒子反应。这些特质，使得单纯的化学方法、流体方法和粒子方法都无法完美驾驭。 那么，否构建一种模型，既能准确的描述电子的动力学行为，又能考虑重粒子间的化学反应与输运过程，进而模拟一个多尺度的复杂放电体系呢？ ——流体-粒子混合模拟是出路。 本期速读一篇近期关于微等离子体射流混合模拟的计算-实验结合佳作： [1] Yue Liu et al. (2020) Microatmospheric pressure plasma jets excited in He/O2 by voltage waveformtailoring: A study based on a numerical hybrid model and experiments.Plasma Sources Science and Technology. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6595/abd0e0
研究对象 计算对象几何结构如下图所示：在长30mm，直径1mm尺寸的细管中，构建板对板电极结构并连接射频电源产生等离子体，通过载气将等离子体吹向下游。 考虑沿气流的输运过程与极板间带电粒子的动力学过程相比十分缓慢，可以认为带电粒子沿气流方向是均匀同一的，于是在通道中抽取一个截面，将带电粒子在电场驱动下的定向运动简化为一维问题进行计算，获得截面各组分分布规律并方便与实验开展对比。
混合计算思路 使用粒子模型计算电子行为，使用流体模型计算重粒子行为。带电粒子采用一维模型（垂直于电极的方向），而中性粒子的输运采用简化的二维模型，即垂直于电极采用扩散模型，沿气流方向考虑稳态的平流输运。对于不同组分响应与收敛时间的不用，采用迭代算法，如下图所示，
第一步，计算等离子体。最小时间步长取值在10-14 s量级，针对不同的组分采用不同的时间步长，直到带电粒子和部分中性组分达到收敛，然后此模块被冻结，输出周期平均的稳态的组分密度以及电子碰撞频率给中性成分更新模块。 第二步，更新中性组分。在该模块中，仅计算中性粒子，直到所有组分达到稳态，再将稳态的中性密度输入到等离子体模块计算中，反复迭代直到整个系统达到稳态。 通过以上两步计算，有效地避免了采用小时间步长却需要计算带电粒子直到毫秒乃至秒的量级的矛盾，极大的降低了计算消耗。
结果验证（电子动力学行为） 下图为计算结果与实验对比验证情况。第一行为电压波形，第二行和第三行分别为计算和实验测量的时空分辨氦原子激发率，计算结果与实验结果吻合极好。
更为重要的是，混合模型使我们获得了电子动力学行为分析能力——第四行显示了计算获得的电子能量概率分布函数，可以看到，在特定时间内、微尺寸条件下，电子能量概率分布存在很强的高能尾（见N=4 collapse）。对电子能量概率函数的捕捉，体现了混合模型能够准确描述电子动力学行为（继而准确描述反应动力学行为）的优势。
结果验证（重粒子时空行为） 下图为沿气流方向中心处，计算和实验测量的氧原子的密度沿放电间隙的分布。计算结果与实验结果匹配的很好。
有趣的是，实验与计算均捕捉到了在不同射频波形下，氧原子的密度分布对称性（相对于放电间隙中心）发生改变的现象。这说明，该计算方法能够准确的描述中性组分的产生与损失机制，简化的二维模型+精确的一维计算足以描述中性组分的输运过程。 *************** 工坊君阅读体会************** 混合模型能够结合粒子模拟与流体模拟各自的优点，是研究微尺度射频大气压射流等离子体源的一个有效的工具。事实上，在大气压下，随着电压上升沿缩短、幅值增加、放电尺度缩小，对各类等离子体源的研究中，常常发生计算结果与实验偏离的问题——高能电子如同幽灵一般或多或少的影响着计算精度。混合模拟，是未来等离子体数值计算的重要方向。
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