气体放电数值仿真方法

定　　价：88 元

丛书名：普通高等教育“十三五”规划教材

• 作者：郑殿春著
• 出版时间：2016/9/12
• ISBN：9787030481085
• 出 版 社：科学出版社

适用读者:本书适用于从事高电压介质放电现象研究的科技工作者与高压电气绝缘配合及结构设计的工程师

• 中图法分类：O461 
• 页码：272
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K
• 字数：(单位：千字)

内容简介

　　《气体放电数值仿真方法》在论述气体放电过程带电粒子动力学行为数学模型的同时，详尽阐明了相应的数值仿真方法并给出了仿真计算实例。《气体放电数值仿真方法》将非线性动力学理论和方法引入气体放电现象的研究领域，通过数值仿真分析挖掘了气体放电过程蕴涵的粒子流混沌现象、放电轨迹的分岔行为、场函数时空演化规律及其相互耦合关系，为气体放电现象的深入探索提供了一种崭新的分析手段。
　　《气体放电数值仿真方法》可作为高等院校高电压与绝缘技术专业的研究生教材，也可供从事高电压电介质放电现象研究的科技工作者与高压电气绝缘配合及结构设计的工程师参考。


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序 言

　　研究气体放电现象，除了实验方法，数学分析法或称数值仿真方法是重要的研究手段，并可以弥补实验方法的不足。由于计算技术的发展、快速数据处理技术及高清显示技术的进步，使得气体放电数值仿真方法已经成为科技工作者的必备工具。
　　本书在论述气体放电过程带电粒子动力学行为数学模型的同时，详尽阐明相应的数值仿真方法并且给出计算实例，将非线性动力学理论和方法引入气体放电现象的研究领域。通过数值仿真分析挖掘了气体放电过程所蕴涵的粒子流混沌现象、放电轨迹的分岔行为、场函数时空演化规律及其相互耦合关系，使得原来艰涩难懂的气体放电现象可视化，并使得气体放电电子崩形成、流注生长、放电通道轨迹演化过程的时空行为以图像方式清晰地跃然荧屏画面上，尤其非线性动力学理论的应用，为研究气体放电复杂现象提供了有效的分析方法，也为进一步探索、发现和应用气体放电现象提供了理论依据。
　　作者依据自身的从教经历、学术背景和科研成果撰写成此书。第1章简要介绍气体放电的研究历程；第2章详细阐述气体放电过程的数学表述；第3章简述气体放电的基本理论；第4章论证Boltzmann方程和MonteCarlo法数值分析过程，以及确定气体放电参数方法且给出仿真实例；第5章给出基于电子崩理论的气体放电仿真方法；第6章阐述用于气体放电的FCT仿真方法；第7章讲述基于流体化学反应模型的空气/SF6放电仿真方法；第8章分别阐明PIC和MCC方法，并将其组合应用于纳秒脉冲SF6放电仿真分析；第9章对电极介质覆盖气体放电的非线性行为进行理论分析，并给出其分析方法和仿真实例；第10章运用分形几何理论对短气隙放电通道分岔现象进行分析和仿真计算，证明气隙放电通道分岔演化模型的实用性。
　　本书是作者将数学理论、计算技术与计算机语言密切结合的气体放电数值仿真技术的研究成果，从内容、结构及写作上力求知识系统性、逻辑缜密性、方法可靠性和技术先进性。

目 录

目录
前言
第1章 绪论1
1.1 气体放电现象研究简要回顾1
1.2 气体放电过程数值仿真方法2
1.3 撰写本书的目的3
参考文献4
第2章 气体放电过程数学表述5
2.1 连续介质的基本运动方程5
2.1.1 体积分的物质导数5
2.1.2 连续方程7
2.1.3 运动方程8
2.1.4 能量守恒方程9
2.2 基于动力学的气体放电过程的数学表述10
2.2.1 电子的产生、消失及其连续性方程10
2.2.2 负离子的产生和消失及其连续性方程13
2.2.3 正离子的产生和消失及其质量方程13
2.3 中性粒子的质量方程13
2.3.1 中性粒子的动量输运方程14
2.3.2 带电粒子的动量输运方程16
2.3.3 能量输运方程17
2.4 电磁场方程19
2.5 气体放电问题的边界条件21
参考文献22
第3章 气体放电基本理论23
3.1 汤逊碰撞电离理论23
3.1.1 电子碰撞电离的过程23
3.1.2 过程和自持放电条件24
3.2 流注理论的物理概念25
3.2.1 光致电离模型25
3.2.2 Raether判据26
3.2.3 Meek判据28
3.2.4 流注形成机理30
3.3 带电粒子在电场中的行为33
3.3.1 离子在电场中的迁移运动33
3.3.2 电子在电场中的运动规律35
3.3.3 电场中电子的速度分布36
3.4 气体放电过程的复杂性37
3.4.1 纳秒脉冲下气体放电模型37
3.4.2 气体放电过程的混沌现象39
3.4.3 气体放电轨迹分岔现象40
参考文献40
第4 章气体放电参数确定方法42
4.1 Boltzmann方程42
4.1.1 Boltzmann数值仿真微分法43
4.1.2 Boltzmann仿真积分变换法45
4.2 MonteCarlo法47
4.2.1 MonteCarlo仿真48
4.2.2 模型建立48
4.3 仿真实例57
4.3.1 电子碰撞概率模型57
4.3.2 粒子运动过程表述58
4.3.3 记录数据61
4.3.4 仿真结果及讨论61
参考文献66
第5章 基于电子崩理论的气体放电仿真计算67
5.1 电子崩模型67
5.2 均匀电场下电子崩发展过程仿真69
5.2.1 均匀电场下电子崩数学模型69
5.2.2 仿真计算69
5.3 相关计算参数的选择72
5.3.1 电离系数α的选取72
5.3.2 电子漂移速度的选取72
5.3.3 扩散系数的选取73
5.4 计算结果74
5.4.1 空气中电子崩发展过程计算结果74
5.4.2 SF6气体中电子崩发展过程计算结果76
5.5 计算结果讨论78
5.6 非均匀电场下电子崩发展过程仿真79
5.6.1 模拟电荷法79
5.6.2 空气正针尖电子崩发展过程计算结果87
5.6.3 空气负针尖电子崩发展过程计算结果89
5.6.4 SF6正针尖电子崩发展过程计算结果91
5.6.5 SF6负针尖电子崩发展过程计算结果93
5.6.6 结果讨论95
参考文献96
第6章 气体放电FCT仿真方法97
6.1 气体放电模型97
6.2 数值仿真FCT法98
6.3 计算实例103
6.4 均匀电场下SF6及其与N2混合气体放电特性110
6.4.1 SF6正流注放电特性110
6.4.2 SF6负流注放电特性120
6.5 SF6/N2混合气体放电特性125
6.5.1 50%-50%SF6/N2正流注放电特性126
6.5.2 50%-50%SF6/N2负流注放电特性131
6.5.3 相关讨论138
参考文献139
第7章 基于流体化学反应模型的空气/SF6放电仿真140
7.1 非均匀场气体放电物理过程140
7.2 气体放电的化学反应形式141
7.3 气体放电模型145
7.3.1 数值模型146
7.3.2 放电过程的化学反应147
7.4 空气放电过程仿真分析149
7.4.1 空气放电仿真模型149
7.4.2 空气放电特性149
7.4.3 实验154
7.5 SF6气体放电仿真158
7.6 相关结论164
参考文献165
第8章 纳秒脉冲SF6放电PIC-MCC仿真166
8.1 研究现状166
8.2 气体放电分析方法167
8.3 PIC-MCC法167
8.3.1 PIC法168
8.3.2 MCC法171
8.3.3 PIC-MCC算法实现176
8.4 SF6电子输运参数176
8.4.1 碰撞截面对输运参数的影响177
8.4.2 校正后的电子输运参数179
8.5 纳秒脉冲下SF6放电过程分析181
8.5.1 纳秒脉冲下SF6放电过程181
8.5.2 初始条件对放电过程的影响185
8.5.3 结果讨论194
参考文献194
第9章 电极介质覆盖气体放电的非线性行为195
9.1 混沌概念195
9.1.1 Hopf分岔195
9.1.2 混沌现象195
9.1.3 最大李雅普诺夫指数196
9.2 大气压短气隙放电模型197
9.2.1 非电负性气体放电过程表述198
9.2.2 电负性气体放电过程表述199
9.2.3 非线性方程的SG算法200
9.3 短气隙放电过程201
9.3.1 短间隙N2放电动力学特性201
9.3.2 短间隙空气放电动力学特性208
9.4 大气压短气隙放电的影响因素212
9.4.1 外施电压幅值对短气隙放电的影响212
9.4.2 外施电压频率对短气隙放电的影响215
9.4.3 电介质及间距对气隙放电的影响218
9.5 电极覆盖短气隙放电的混沌演化220
9.5.1 准周期道路通向混沌演化220
9.5.2 倍周期道路通向混沌演化225
参考文献229
第10章 气体放电轨迹的分岔现象230
10.1 气体放电经典理论230
10.1.1 汤逊理论230
10.1.2 流注理论231
10.1.3 非均匀电场气隙的击穿232
10.2 气体放电轨迹与分形233
10.3 电介质放电过程的分形表征234
10.3.1 计盒维数234
10.3.2 计盒维数的计算234
10.4 基于WZ模型的SF6放电通道分叉特性235
10.4.1 数值仿真模型236
10.4.2 数值计算模型电极结构及求解区域划分237
10.4.3 数值仿真步骤237
10.5 数值仿真计算SF6放电通道分叉特性239
10.5.1 发展概率指数η对放电通道发展的影响239
10.5.2 放电阈值场强Ec对放电通道发展的影响241
10.5.3 维持电场Es对放电通道发展的影响242
10.6 基于改进WZ模型的SF6放电通道分叉特性244
10.6.1 短气隙放电通道发展概率模型245
10.6.2 数值仿真流程图246
10.7 SF6放电通道分叉演化过程248
10.7.1 外施电压对放电通道发展的影响250
10.7.2 流注区电导率对放电通道发展的影响253
10.8 短空气隙放电通道分叉特性与实验印证255
10.8.1 短空气隙放电通道分叉特性255
10.8.2 短空气隙放电实验257
10.9 相关讨论260
参考文献261
附录262