2、等离子体 - 气流相互作用及反应性气流模拟的数值研究

等离子体 - 气流相互作用及反应性气流模拟的数值研究

1. 离子风与等离子体 - 气流相互作用

自 20 世纪 60 年代以来，大量研究聚焦于离子风。1709 年，Hauksbee 首次发现了这一现象。离子风是一种借助电力供应为气流提供能量的方式，其显著优势在于无需额外添加外部物质，且能在较宽的频率范围（0 - 10 kHz）内发挥作用。众多实验表明，在亚音速气流的边界层中，离子风有增加显著动量的可能性。

当带电粒子处于强电场 E 中时，会与气体中的中性分子发生碰撞，从而实现动量传递。物种 k 对中性粒子 n 在 i 方向上施加的力 $f_{k→n}^i$ 可表示为：
$f_{k→n}^i = m_kN_kν_{k - n}(U_k^i - U_n^i)$ (1)
其中，$m_k$ 是物种 k 的质量，$N_k$ 是其密度，$U_k^i$ 是其平均速度矢量的第 i 个分量，$ν_{k - m}$ 是 k 和 n 之间碰撞的动量传递频率。由于带电粒子的速度比中性粒子的速度高 3 - 4 个数量级，该表达式可简化。

设物种 k 的密度电流 $j_k^i$ 和迁移率 $μ_k$ 分别为：
$j_k^i = qN_kU_k^i$ (2)
$μ_k = \frac{q}{m_kν_{k - n}}$ (3)
其中，q 是物种 k 的电荷。忽略气体速度相对于离子和电子速度的影响，所有带电粒子施加的体积力 $f^i$ 为：
$f^i = \sum_{k}\frac{j_k^i}{μ_k}$ (4)
需要注意的是，这些对总力的贡献是代数相加的，因此即使单个贡献不为零，总力也可能为零。传导密度电流 $j_c^i$ 是粒子电流的总