مقاله چه زمانی باید شبیه سازی PIC برای پلاسماهای فشار اتمسفر اعمال شود؟ تاثیر گرمایش همبستگی

چکیده

Molecular dynamics simulations are used to test when the particle-in-cell (PIC) method applies to atmospheric pressure plasmas. It is found that PIC applies only when the plasma density and macroparticle weight are sufficiently small because of two effects associated with correlation heating. The first is the physical effect of disorder-induced heating (DIH). This occurs if the plasma density is large enough that a species (typically ions) is strongly correlated in the sense that the Coulomb coupling parameter exceeds one. In this situation, DIH causes ions to rapidly heat following ionization. PIC is not well suited to capture DIH because doing so requires using a macroparticle weight of one and a grid that well resolves the physical interparticle spacing. These criteria render PIC intractable for macroscale domains. The second effect is a numerical error due to Artificial Correlation Heating (ACH). ACH is like DIH in that it is caused by the Coulomb repulsion between particles, but differs in that it is a numerical effect caused by a macroparticle weight larger than one. Like DIH, it is associated with strong correlations. However, here the macroparticle coupling strength is found to scale as $Γw^{2/3}$, where $Γ$ is the physical coupling strength and $w$ is the macroparticle weight. So even if the physical coupling strength of a species is small, as is expected for electrons in atmospheric pressure plasmas, a sufficiently large macroparticle weight can cause the macroparticles to be strongly coupled and therefore heat due to ACH. Furthermore, it is shown that simulations in reduced dimensions exacerbate these issues.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

از شبیه سازی دینامیک مولکولی برای آزمایش استفاده می شود که روش ذرات در سلول (PIC) در مورد پلاسماهای فشار اتمسفر اعمال می شود.مشخص شده است که PIC فقط در شرایطی اعمال می شود که چگالی پلاسما و وزن ماکروپول به دلیل دو اثر مرتبط با گرمایش همبستگی به اندازه کافی کوچک باشد.اولین اثر جسمی گرمایش ناشی از اختلال (DIH) است.این امر در صورتی اتفاق می افتد که چگالی پلاسما به اندازه کافی بزرگ باشد که یک گونه (به طور معمول یون ها) به این معنا که پارامتر جفت کولوم بیش از یک است ، به شدت ارتباط دارد.در این شرایط ، DIH باعث می شود یونها به سرعت در پی یونیزاسیون گرم شوند.PIC برای ضبط DIH مناسب نیست زیرا انجام این کار نیاز به استفاده از وزن ماکروپول یک و یک شبکه دارد که به خوبی فاصله بین ذرات فیزیکی را برطرف می کند.این معیارها PIC را برای حوزه های ماکروسکوپ غیرقابل تحمل می کند.تأثیر دوم یک خطای عددی به دلیل گرمایش همبستگی مصنوعی (ACH) است.ACH مانند DIH است زیرا در اثر دافع کولوم بین ذرات ایجاد می شود ، اما از این نظر متفاوت است که این یک اثر عددی است که ناشی از وزن ماکروپول بزرگتر از یک است.مانند DIH ، با همبستگی های قوی همراه است.با این حال ، در اینجا قدرت اتصال اتصال ماکروپول به عنوان $ γW^{2/3} $ مقیاس یافت می شود ، جایی که $ γ $ قدرت جفت فیزیکی و $ w $ وزن ماکروپول است.بنابراین حتی اگر استحکام اتصال فیزیکی یک گونه کوچک باشد ، همانطور که برای الکترونهای موجود در پلاسما های فشار اتمسفر انتظار می رود ، یک وزن ماکروپول به اندازه کافی بزرگ می تواند باعث شود که ماکروپیکول ها به شدت جفت شوند و بنابراین به دلیل ACH گرما.علاوه بر این ، نشان داده شده است که شبیه سازی در ابعاد کاهش یافته این مسائل را تشدید می کند.