High order fluid model for streamer discharges: I. Derivation of model and transport data
流光放电是等离子体物理中的基本问题，因为它们非常短暂，远离平衡，并且具有高电离密度梯度;它们出现在科学和技术的各个领域。本文着重推导了一个适用于拖缆的高阶流体模型。利用动量传递理论，将流体方程作为Boltzmann方程的速度矩，在局部平均能量近似下封闭，并耦合到空间电荷产生的电场的泊松方程。能流方程中的高阶张量近似为两个低阶矩的乘积，以封闭系统。从多项Boltzmann方程解出发，计算了氮分子中电子在弹性和非弹性碰撞中动量和能量转移的平均碰撞频率。然后，我们讨论，特别是，（1）正确实施的传输数据的流光模型;（2）的准确性的两项近似求解玻尔兹曼方程的背景下，流光研究;和（3）的平均能量依赖的碰撞率的评估所需的电子作为输入的高阶流体模型。在这一序列的第二篇论文中，我们将讨论基于本文导出的模型和输入数据的拖缆高阶流体模型的解。
2013-02-23 physics.plasm-ph
X-ray Emissions in a Multiscale Fluid Model of a Streamer Discharge
我们使用一个三种流体模型的放电在空气中模拟流注演变的雪崩到流注过渡到碰撞的相反极性的流光。我们估计的上限生产的热失控电子，这是占主导地位的第二个这些过程。如果由于自然背景和光电离引起的电离减少，则由于在流光尖端处产生更高电场的可能性而产生更多的热失控。然而，测试粒子模拟显示，这些热逃逸电子没有足够的能量成为相对论逃逸。模拟是在$\mathit{E}_{0}$ = 4和6 MV/m的恒定均匀背景场中进行的。在4-MV/m场中形成流光之后，还在$\mathit{E}_{0}$ = 2 MV/m中进行模拟，以便近似由$\sim$ 1-MV电压在实验室火花实验中使用的$\sim$ 1-m电极间隙上产生的平均背景场。我们的结论是，所使用的流体模型是不足以解释X射线观测在这样的实验。我们讨论的机制，不包括在这个或以前的建模，但可能发挥决定性的作用，在电子加速和X射线生产过程中的流光碰撞的可能作用。
2018-08-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Spatially hybrid computations for streamer discharges with generic features of pulled fronts: I. Planar fronts
流光是火花和闪电的第一阶段;它们的生长是由于尖端强烈增强的电场;这个电场是由薄的弯曲空间电荷层产生的。当用密度来近似电子时，这些多尺度已经具有挑战性。然而，电子能量分布的前沿和非热拉伸尾部的电子密度波动（作为X射线发射的原因）需要一个粒子模型来跟踪电子运动。由于超粒子方法会产生错误的统计数据和数值伪影，因此对流光中的单个电子动力学进行建模仅限于总电子数仍然有限的早期阶段。所选择的方法是空间中的混合计算，其中在高电场和低密度的区域中跟随单个电子，而电子的体积由密度（或流体）近似。我们在这里开发的混合耦合平面前。首先，为了在混合计算中获得一致的粒子和流体模型之间的界面处的通量，广泛使用的经典流体模型被替换为扩展的流体模型。然后详细介绍了空间混合模型的耦合算法和数值实现，特别是模型界面的位置和缓冲区的构造。该方法具有拉锋的一般特征，可以应用于类似的问题，如人口前沿的大偏差等。
2009-04-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The effect of the stochasticity of photoionization on 3D streamer simulations
正流光放电需要在它们前面的自由电子源以用于它们的生长。在空气中，这些电子通常由光电离提供。在这里，我们调查如何随机波动，由于电离光子的离散性影响空气中的正流光。我们模拟正流光两个平面电极与三维等离子体流体模型，使用随机和连续光电离的方法。随机光电离，波动是可见的流光的方向，最大电场，速度和电子密度。流光不分支，我们发现平均随机结果和连续光电离的结果之间有很好的一致性。流保持大致轴对称，我们表明，与轴对称模型得到的结果确实同意与三维结果。然而，我们发现，积极的流光是敏感的光电离量。当光电离量加倍时，随机和连续结果之间甚至有更好的一致性，但随着光电离量的一半，随机波动变得更加重要，流光分支开始发生。
2019-05-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Simulating streamer discharges in 3D with the parallel adaptive Afivo framework
我们提出了一个开源的等离子体流体代码的2D，圆柱形和3D模拟流光放电，Afivo框架的基础上，自适应网格细化，几何多重网格方法泊松方程，和OpenMP并行。我们描述的漂移-扩散-反应型的流体模型的数值实现，结合局部场近似。然后，我们证明了它的功能与3D模拟的长期积极流光在氮气中的欠旋间隙，使用三个例子。第一个例子显示了随机背景密度如何影响流注传播和分支。第二个主要研究预电离区与流注的相互作用，第三个主要研究两个流注之间的相互作用。模拟在不到一天的时间内在多达$10^8$网格单元上运行。如果没有网格细化，则需要$4\cdot 10^{12}$网格单元。
2017-08-28 physics.plasm-ph
High order fluid model for streamer discharges. II. Numerical solution and investigation of planar fronts
本文采用前一篇论文中发展的高阶流体模型，研究了负平面流注波前在纯氮中的传播。该模型由电子密度、平均电子速度、平均电子能量和平均电子能流的平衡方程组成。这些平衡方程已获得的玻尔兹曼方程的速度矩，并在这里耦合到泊松方程的空间电荷电场。在这里，与高阶模型，与PIC/MC（粒子在细胞/蒙特卡罗）模型和一阶流体模型的基础上的流体动力学漂移扩散近似的模拟结果进行了介绍和比较。通过与MC模型的比较，验证了高阶流体模型的正确性，从而支持了其正确的理论推导和数值实现。一阶流体模型的局部场近似的结果，通常用于流光放电，显示出相当大的偏差。此外，我们研究了不一致的实施到我们的高阶流体模型的传输数据所造成的模拟结果的不准确性。通过与忽略能流项的结果的比较，我们也证明了能流项在高阶模型中的重要性。最后，结果与近似的高阶张量的能流方程被认为是同意与PIC/MC的结果减少电场高达1000汤森，在这项工作中考虑。
2013-02-23 physics.plasm-ph
Experimental and numerical study on Following Streamer mechanism for SF6 breakdown induced by floating linear metal particles
本文通过负脉冲电压实验与二维轴对称流体模拟对比，验证悬浮线性金属颗粒引发SF6击穿的跟随流注机制，并提出扩展物理模型以描述三维离轴及多流注现象。
2025-10-21 physics.plasm-ph
Spatially hybrid computations for streamer discharges: II. Fully 3D simulations
我们最近提出了第一个物理预测的空间混合模型，以下负流光放电在全三维空间的演变;我们的空间混合模型耦合粒子模型在高场区域的流光与流体模型在流光内部的电子密度高，场低。因此，该模型在计算上是有效的，同时它也遵循单个电子的动力学，包括它们可能的逃逸。在这里，我们描述了我们的计算的技术细节，并提出了下一步的系统开发的模拟代码。首先，从空气、氮气、氧气和氩气中的粒子群模拟获得新的输运系数和反应速率。这些系数在扩展的流体模型中实现，以使流体近似尽可能与颗粒模型一致，并避免流体和颗粒区域之间的界面处的不连续性。然后介绍了两种分裂方法，并对三维空间中流体-颗粒界面的位置和运动进行了比较。最后，我们提出了第一个结果的三维空间混合模型的负流光在空气中。
2011-03-10 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Adaptive multiscale methods for 3D streamer discharges in air
我们讨论了空间和时间自适应隐式显式（IMEX）方法并行模拟三维流体流光放电在大气中。我们研究战略推进流体方程和椭圆输运方程（如泊松）与不同的时间步长，同步它们的全球物理时间尺度，这是采取成比例的介电弛豫时间。使用较长的时间步长的电场导致可以诊断的数值误差，我们量化的条件下，这种简化是有效的。同样，使用三项亥姆霍兹模型的辐射传输，相同的误差诊断表明，辐射传输方程不需要解决的时间尺度精细比介电弛豫时间。椭圆方程是大多数拖缆模拟代码的瓶颈，这里给出的结果可能提供计算节省。最后，一个计算的例子，在针平面几何形状，使用高达700万个网格单元的3D分支拖缆。
2019-01-24 physics.plasm-ph
An adaptive grid refinement strategy for the simulation of negative streamers
在非附着气体的电击穿过程中，负流光的演化可以用电子和正离子的双流体模型来描述。它包括带电粒子在局部电场中的漂移、扩散和反应的连续性方程，耦合到电势的泊松方程。该模型产生的场增强和陡峭的传播电离前端的尖端不断增长的电离丝。本文提出了一种自适应网格加密方法来模拟这类结构。它使用有限体积空间离散化和显式时间步进，这允许从泊松方程的连续性方程的网格解耦。标准的细化方法，其中的细化标准是基于本地错误监控失败，由于拖缆前端的拉字符传播到一个线性不稳定状态。我们提出了一个细化方法，处理所有这些功能。一维流光前以及三维流光圆柱对称（因此有效的2D数值目的）的测试成功地进行。在细网格上的结果表明，这种自适应网格方法是必要的，以捕捉流光的特性。这种细化策略使我们能够充分计算纯气体中的负流光的参数制度出现的物理不稳定性：分支流光。
2006-05-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Deviations from the local field approximation in negative streamer heads
在局域场近似下，分别用粒子模型和流体模型研究了正常条件下氮气中的负流光电离锋。流体模型的参数函数来自粒子模型中的群实验。在一维环境中研究了内尺度上的前结构，允许合理的运行时间和内存消耗以及高数值精度，而不引入超粒子。当前沿的约化电场>= 50 kV/（cm bar）时，流体模型和粒子模型的解吻合得很好。当电场强度增加到200 kV/（cm bar）时，粒子模型和流体模型的解发生了偏离，特别是粒子模型的前沿后电离水平提高了60%，而速度对前沿的电离水平不敏感。粒子和流体模型偏离，因为高能量的电子还没有完全从前面跑走，而是在一定程度上领先。这导致粒子模型中前沿尖端的电离率增加。在同一电场中，前沿电子的能量过冲实际上与电子群或雪崩前沿的能量过冲在数量上一致。
2007-02-15 physics.plasm-ph
Simulated avalanche formation around streamers in an overvolted air gap
我们模拟了在标准温度和压力下的空气中的短过旋间隙中的流光。该模拟是用一个3D混合模型进行的，该模型跟踪低密度区域中的单个电子和光子，同时将流光内部建模为流体。光子之后是蒙特卡罗程序，就像电子一样。这里给出了第一个模拟结果。
2011-01-06 math-ph math.MP physics.plasm-ph
A unified fluid model for nonthermal plasmas and reacting flows
本文提出统一流体求解器 reactPlasFOAM，耦合 ChemPlasKin 与 OpenFOAM，通过实时求解电子玻尔兹曼方程并结合 AMR 等方法，实现等离子体与燃烧的多模式高保真模拟。
2025-06-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
3D simulations of negative streamers in CO$_2$ with admixtures of C$_4$F$_7$N
本文通过3D模拟比较流体与粒子模型，研究CO$_2$与C$_4$F$_7$N混合气体中负流注放电，发现两者结果相似但粒子模拟更随机，且LEA不优于LFA。
2025-10-08 physics.plasm-ph
Why isolated streamer discharges hardly exist above the breakdown field in atmospheric air
我们调查流注形成对流层，在电场以上的击穿阈值。利用全三维粒子模拟，我们研究了自然背景电离和光电离对放电形态的综合影响。在以前的研究中，基于确定性流体模型没有背景电离，所谓的双头流光出现。但在我们改进的模型中，许多电子雪崩开始在不同的位置生长。最后，雪崩集体屏蔽了放电内部的电场。这发生在我们称之为“电离屏蔽时间”之后，对此我们给出了分析估计。由于这个时间是相当的流光形成时间，我们得出结论，孤立的流光是不可能存在的领域远高于大气中的空气击穿。
2013-08-23 physics.plasm-ph
Comparing simulations and experiments of positive streamers in air: steps toward model validation
我们比较模拟和实验中的单个正流光放电在空气中在100毫巴，旨在模型验证。实验上，流光产生在一个板-板的几何形状与突出的针。我们能够捕捉到完整的时间演化的可再生的单灯丝流光与纳秒门时间相机。一个二维轴对称漂移扩散反应流体模型被用来模拟条件下的流光密切匹配的实验。流光的速度，半径和光发射轮廓之间的模型和实验进行了比较。良好的定性协议之间的实验和模拟的光发射分布，并在整个演变过程中的流光速度和半径。定量地，在相同的拖缆长度下，模拟的拖缆速度低约20%至30%，并且模拟的半径小约1mm（20%至30%）。研究了输运数据、背景电离水平、光电离率、气体温度、电压上升时间和电压边界条件等参数对模型与实验符合程度的影响。由于50 Hz的实验重复频率导致的气体温度的增加可能会导致一些观察到的差异。
2021-08-07 physics.plasm-ph
Double-pulse streamer simulations for varying interpulse times in air
本文通过轴对称流体模型模拟不同脉冲间隔下的双脉冲流注，揭示三种状态，并提出流注延续与介电弛豫时间等相关的估计，发现电子脱离反应影响电子密度衰减。
2023-11-13 physics.plasm-ph
SF6 streamer breakdown induced by floating linear metal particles: Following streamers and side streamers
本研究通过二维流体模型揭示悬浮线性金属颗粒诱发 SF6 流注击穿的微观机制，提出跟随流注与侧向流注两种新机制，并阐明压力与过电压对击穿行为的影响。
2025-06-23 physics.plasm-ph
Spatial Fluctuation of the Electric Field within SF6 Streamer Channel in Highly Non-Uniform Fields: Phenomenon, Validation, and Mechanism
本文通过二维流体模型研究高度不均匀电场中SF6流注通道，发现并验证了电场空间涨落现象，揭示其由强电负性形成的离子导电通道驱动，为理解SF6非线性击穿电压机制提供新视角。
2024-09-29 physics.plasm-ph
Stochastic and self-consistent 3D modeling of streamer discharge trees with Kinetic Monte Carlo
本文提出一种基于伊藤扩散与动力学蒙特卡洛的新型粒子模拟模型，用于气体放电，通过耦合光电离粒子描述实现非负密度、固有涨落支持和优异稳定性，并成功自洽模拟大气压空气中的大型正流注放电树。
2023-07-04 physics.plasm-ph
Fully kinetic simulations of strong steady-state collisional planar plasma shocks
我们报告的第一个稳态模拟强等离子体冲击与完全动力学离子和电子，独立证实了两个完全动力学代码（欧拉连续和拉格朗日粒子在细胞）。虽然动力学电子不从根本上改变冲击波的结构相比，流体电子，我们发现一个可观的重新安排的预热层，与非局部电子热传输效应。电子热通量曲线定性同意之间的动力学和流体电子模型，表明一定程度的“刚度”，虽然大量的非局部性观察到的动力学热通量。我们也发现很好的协议与非局部电子热流封闭在文献中提出的。最后，在对比的经典流体动力学图片，我们发现一个显着的崩溃在“前体”电场冲击在预热层边缘，这与电子温度梯度弛豫。
2021-06-30 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Interactions between flow fields induced by surface dielectric barrier discharge arrays
本研究利用纹影成像、PIV和流体模拟分析了SDBD系统诱导的流场，发现不同电极配置对流场影响显著，其中扩展涡旋结构能增强气体混合，解释了该系统对VOCs的高转化率。
2023-07-28 physics.plasm-ph
