Diagnostic method for electron density in high enthalpy plasma flow field using low-frequency electromagnetic wave attenuation and computational fluid dynamics modeling
Abstract
实现地面模拟高速目标等离子体鞘套电子密度可靠诊断是开展高速飞行器通信中断、电磁散射特性等实验研究的重要前提。本文提出了一种结合低频电磁波衰减与计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟的高焓等离子体电子密度诊断方法。该方法利用低频电磁波（7MHz）在等离子体中传播时的衰减特性来构建目标函数，通过粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法反演电子密度与碰撞频率的比值，再结合CFD数值模拟获得的碰撞频率，实现对电子密度的解耦。在高焓激波风洞中先后开展了CFD碰撞频率验证与低频诊断验证实验。结果表明：CFD计算的碰撞频率与静电探针测量结果的一致性验证了数值模拟的可靠性；低频诊断方法与静电探针在流场稳定时期测量结果吻合较好，误差基本小于0.2个数量级，验证了低频-CFD诊断方法的有效性。此外，7MHz工作频率可适用于大多数高焓等离子体场景，但当密度低于1017m-3量级时需要提高工作频率来提高诊断精度。该方法具有非接触、系统简单、适用于复杂实验场景等优势，但诊断准确性依赖于碰撞频率与等离子体厚度的准确评估。本文研究为高速目标等离子体电磁特性地面实验提供了一种新型可靠的诊断手段，未来可推广至感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma, ICP）风洞等多类场景。
Fields of Study & Subjects
Low-Pressure Plasma Processing and Diagnostics
Plasma and Flow Control in Aerodynamics
Gas Dynamics and Kinetic Theory
Publication details
- Journal / source
- Acta Physica Sinica
- Volume
- 75
- Issue
- 11
- Publication date
- 1 January 2026
- Language
- ZH