ANSYS高功率等离子体发生器的多物理场耦合分析(4)
消融电弧等离子体的物理过程可大致分为两个阶段。首先是电爆炸，导体通过电流后，迅速被加热到熔点，转变为液体。由于惯性和磁力约束的作用，它仍保持一定的形状。此后加热达到沸点，热能使原子激发，克服材料的化学键和内力后，开始汽化，金属蒸汽同时不断向外部膨胀，到一定程度时，由于电子碰撞电离将使膨胀开来的蒸汽通道再次放电，并形成等离子体。电爆炸形成的初始等离子体进一步烧蚀毛细管，主要是电弧辐射引起的消融，并产生低温、高密度的等离子体。
此能量转化过程中，电能在很短时间内转化为冲击波、热和电磁辐射能，存在流场、电场和磁场的复杂相互作用，是带电粒子与电磁场耦合的多粒子体系。通常研究等离子体的方法有粒子描述、动理学描述和磁流体力学描述三种。粒子描述通过考察带电粒子在磁场中的运动和相互作用来描述等离子体行为；动理学描述采用粒子分布函数来计算，可由玻尔兹曼方程求出；磁流体描述用密度、速度和温度来描述等离子体的运动。由于等离子体发生器中等离子的运动特征长度远大于带电粒子的平均自由程，特征时间远大于带电粒子的平均碰撞时间，所以可将其看成磁流体，使用有限元方法，以及流体力学方程和麦克斯韦方程进行数值计算[12-14]。
2.1.3 等离子体性质
等离子体是宇宙空间普遍存在的一种物质状态，是与物质的固态、液态、气态并列的第四态，其广泛存在于自然界中。当一些物体在受到外界高能作用后，部分原子中电子因吸收的能量超过该元素的电离能后脱离原子核的束缚而成为自由电子;同时原子因失去电子而成为带正电的粒子，这样原来的中性气体就转变为由大量自由电子、正离子和中性原子组成的物质，该物质就被称为等离子体。但并非所有由自由电子、正离子和中性原子组成的物质都是等离子体，只有具有足够高电离度的电离气体才具有等离子体的性质，才能被称为等离子体。
等离子体和固、液、气三态在组成上最明显的不同之处在于后者都是由中性的分子或原子构成，而前者则由电子、离子和中性粒子共同构成。这些带电粒子可在空间中自由运动，有时电子与离子间的相互碰撞会复合成中性粒子，但同时也存在着中性粒子因碰撞或其他原因而电离成电子、离子的过程。因此，在宏观尺度的时间和空间范围里存在着总数大体不变的大量电子和各种离子(指不同价态的正离子)。正因为如此，等离子体的许多性质才一明显地和固体、液体、气体不同，有着自己特有的行为和运动规律。在这个意义上，我们把等离子体称为物质的第四态。
2.1.3.1 等离子体电离度
组成等离子体的基本成分是电子、离子和中性粒子，一般情况下，以 表示电子密度， 为离子密度， 表示未电离的中性粒子密度，当 时称为一阶电离。当然，一般等离子体中可能含有不同价态的离子，也可能含有不同种类的中性粒子，因此电子密度和离子密度并不一定总是相等的。在大多数情况下，所讨论的主要是一阶电离和含有同一类中性粒子的等离子体，故可认为 ，此时电离度 可定义为:
2.1）
热力学平衡条件下，电离度仅与粒子种类、粒子密度和温度有关。粒子能量服从麦克斯韦分布。单个粒子平均动能 与热平衡温度的关系为:
（2.2）
式中 为粒子质量, 为粒子的根均方速度, 为玻尔兹曼常数， 。
等离子体属于一个多粒子系统，其通过粒子间碰撞实现粒子间的能量和动量的交换，最后达到平衡。由于电子和粒子的质量相差悬殊，同种粒子间达到平衡所需要的时间要远远短于异种粒子。所以，电子和离子在自身达到平衡但整体还未达到平衡之前，需要用各自的温度来表征，通常以 表示电子温度，以 表示离子温度。