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如何掌握数值计算与模拟方法(等离子体)

已有 9356 次阅读 2008-1-2 21:02 |个人分类:学术教育

      第一点的体会就是,一切数值计算和数值模拟都是以理论为基础的,如果对理论,公式推导没有深入的了解,不可能在数值计算上取得很大成果的。很多师弟们总觉得看看书,了解一下原理,差不多懂了就可以动手搞研究,或者接手上面师兄们的工作了,这是一个普遍错误的想法。很多人喜欢看文字多,图片说明多的资料,而我觉得公式多的资料才是最可靠的,一页一页的公式就是你信心的保证,你可以轻易的看出各个方程的来源。

     除非研究分形与混沌,一般对任何数值计算或数值模拟而言,给出了基本方程(如冷等离子体的闭合方程)的迭代公式,边界条件(求解的范围,物体的形状),初始条件(激励源或扰动源),任何结果都是可以预计的。

一般的步骤是:

    1)方程的迭代公式。方程是如何得到的,做了哪些简化,比如等离子体天线中利用的方程都是认为是冷等离子体,密度均匀,电离度很低,电子碰撞频率只与中性分子有关,在一定气压的前提下近似为常数等等。迭代公式推导时,中间差分还是前后差分好,收敛条件的表达式是什么。

最关键的是别人忽略的项,为什么忽略或做近似,如果你加上在什么情况下显得有意义。比如如果认为等离子体密度不均匀,方程应该怎么近似,如果碰撞频率和电子密度,电子温度有关,该怎么推导。这些如果不对理论有很深的了解,是永远无法自己独立做出自己的东西的。

2)边界条件。最简单的就是一纬,无限平面空间,左边是真空,右边是等离子体。看别人文献的时候,如果他做一纬的,你就想能不能简单的推到二纬,三纬直角坐标。如果他做的是二纬直角的,你就想能不能做成柱坐标,因为某些情况下可以把三纬的简化成二纬柱坐标。如果他做的是三纬的,你可以看能不能变成球坐标,或求解任何形状物体的特性。

3)初始条件。激励源、信号源或扰动源的位置,如果等离子体是时变等离子体,则可研究不同相位差等等。

     在等离子体中可以数值模拟的东西很多很多,一般只要能公式推导出来的结果都可以数值模拟出来,就是一个柱形等离子体径向电子密度的分布,也可以通过蒙特卡罗方法数值模拟得到Bessel(0,r/a)的分布,也许你觉得这没有意义,都可以解析求解的,很简单的一个例子,表面波激励等离子体,能量优先损耗在表面,也就是扩散加上激励,此时就无法解析求解了,这时候数值模拟就可以得到令你满意的结果。

     由于实际实验的复杂,很少结果能够从原始方程或简化方程中解析求解得到,以往是一步步简化方程,最终得到一个可以求解析解的方程。但现在计算机能力的飞速提高,结合各种逼近法,完全有条件和能力得到它们的数值解,而一些过程也可以通过数值模拟的方法得到。

     我认为做科研,首先要从理论开始,没有扎实的理论基础,最终都是华而不实的。



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1 瞿崇兵

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