本发明涉及等离子体仿真领域，具体涉及一种三维稳态微波等离子体数学模型及其快速仿真方法。
背景技术：
1、本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
2、微波等离子体由于具有高电子密度、高电离度和丰富的活性粒子等特殊优势，以及无电极、无污染等特点，因此在医疗、制氢、金刚石沉积等多个领域有着广泛的应用。为了设计微波等离子体装置，需要通过仿真，来模拟等离子体的运动、传输和相互作用，以及微波等离子体的相互作用过程。这样，就可以深入研究等离子体的放电特性、电子密度分布、等离子体的稳定性等重要参数。因此，微波等离子体的仿真是非常必要的，它是装置设计和优化的基础。
3、但是，微波等离子体的多物理仿真涉及到电磁场、热传场、等离子体场、气体流场等多个物理场，其数学模型是一个非线性强、耦合度高、计算量大、求解时间长的偏微分方程组。
4、目前，大多数微波等离子体的多物理场仿真都是基于漂移-扩散近似的瞬态仿真，存在计算量大、求解难度高、模型不易收敛等问题。但是，在工业实际应用中，很少关注等离子体的放电这一毫秒级的过程，而是更关心微波击穿气体产生等离子体后，放电是否稳定、等离子体能否持续工作、等离子体活性粒子密度多少等问题。此外，瞬态仿真技术也无法对三维空间中的大尺寸结构装置进行微波等离子体多物理场仿真。因此，本发明提出了一种快速、准确的三维稳态微波等离子体多物理场仿真的数学模型及其快速仿真方法，来解决现有微波等离子体的计算量大、求解难度高、耦合性强、非线性高、无法模拟三维空间中大尺寸的微波等离子体等问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于：针对现有微波等离子体多物理场仿真模型大多数为瞬态模型，而瞬态模型很难对工业上大尺寸、结构复杂的装置进行设计和优化以及微波等离子体在工业应用当中，基本上不关心等离子体的放电过程，而是重点关注等离子体产生后等离子体的形态和稳定性以及等离子体与微波之间的相互关系的问题，提供了一种三维稳态微波等离子体数学模型及其快速仿真方法，忽略了等离子体的放电过程，为微波等离子实现大规模应用提供了一个适应性强的三维稳态微波等离子体仿真技术，从而解决了上述问题。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种三维稳态微波等离子体数学模型，包括：
4、电子密度方程：
5、
6、离子数密度方程：
7、
8、电子能量方程：
9、
10、其中：re、ri为电子数密度ne和离子数密度ni的源项；kb为玻尔兹曼常数；qem为微波功率损耗；qinel为等离子体化学反应中非弹性碰撞引起的能量损失；qel为电子与背景气体之间的弹性碰撞引起的能量损失；te为电子温度；ke为电子温度扩散系数；为气体流速；ui为不同离子的迁移率；q为单个电子的基本电荷。
11、一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，包括：
12、步骤s1：通过多物理场仿真软件进行几何建模；
13、步骤s2：根据亥姆霍兹方程求解整个等离子体模型的电场eem的分布情况；
14、步骤s3：根据电子能量方程求解电子温度te分布；
15、步骤s4：基于电子温度te分布求解等离子体中离子密度及其分布，然后利用等离子体整体呈电中性，进而得到等离子体中电子密度及其分布。
16、进一步地，所述步骤s1，包括：
17、根据仿真模型输入初始值以及设置合适的边界条件。
18、进一步地，所述初始值，包括：微波频率、微波功率、气体流速、初始电子密度ne0。
19、进一步地，所述步骤s2，包括：
20、
21、其中：
22、μ表示材料的相对磁导率；
23、εr是材料的相对介电率；
24、ε0是真空中的恒定介电常数；
25、σ为材料的电导率；
26、k0是自由空间中的波长；
27、ω为角频率。
28、进一步地，所述步骤s3，包括：
29、
30、进一步地，所述步骤s4，包括：
31、步骤s41：将电子温度te带入离子连续性方程中，求解区域中的ar+离子密度分布；
32、步骤s42：将求得的ar+离子密度分布等效为电子密度分布nei，i＝1，2，3……；
33、步骤s43：将当前计算得到的电子密度分布nei与上一计算得到的电子密度分布nei-1进行比较，根据比较结果确定稳态下的微波等离子体。
34、进一步地，所述步骤s43，包括：
35、将当前计算得到的电子密度分布nei与上一计算得到的电子密度分布nei-1进行比较；
36、若相同或者相差小于设置好的相对容差则结束，当前电子密度分布nei即是计算出的稳态下的微波等离子体；例如相对容差为0.001，则是指误差(nei-nei-1)/nei-1<0.001，则表示结果收敛，得到的nei极为为稳态下的等离子体电子密度。
37、若不同或者误差大于相对容差，则跳转至步骤s2，根据当前电子密度分布nei计算等离子体介电常数εr，重复步骤s2-s4，直至当前电子密度分布nei与上一计算得到的电子密度分布nei-1相同或者误差小于相对容差为止，最终的电子密度分布nei即是计算出的稳态下的微波等离子体。
38、与现有的技术相比本发明的有益效果是：
39、1、一种三维稳态微波等离子体数学模型及其快速仿真方法，实现了微波等离子体的三维稳态仿真快速仿真，通过对微波等离子体数学模型的必要简化，减少数学模型的复杂度，减少了方程之间的互耦，提高等离子体的计算速度和降低了计算难度。
40、2、一种三维稳态微波等离子体数学模型及其快速仿真方法，提供合理的假设来简化以上方程从而减少等离子体仿真的计算难度和提高计算速度，除此之外，该方法还可以进行大面积、大尺寸的等离子体仿真，在工业应用上有巨大前景。
41、3、一种三维稳态微波等离子体数学模型及其快速仿真方法，能够根据有限次的迭代计算，最终可以获得稳态时的等离子体的模拟区域和等离子体的分布状态，为后续的研究提供了方向，具有较高的应用价值。
1.一种三维稳态微波等离子体数学模型，其特征在于，包括：
2.一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，包括：
3.根据权利要求2所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述步骤s1，包括：
4.根据权利要求3所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述初始值，包括：微波频率、微波功率、气体流速、初始电子密度ne0。
5.根据权利要求4所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述步骤s2，包括：
6.根据权利要求5所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述步骤s3，包括：
7.根据权利要求6所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述步骤s4，包括：
8.根据权利要求7所述的一种三维稳态微波等离子体数学模型快速仿真方法，其特征在于，所述步骤s43，包括：
