介绍5.7PIC-MCC方法的工作原理和应用

20世纪60年代，Buneman、Dawson和Eldridge等人提出了一种在计算机上易于实现的等离子体模拟方法，即利用计算机跟踪大量微观粒子的运动，并对这些微观粒子进行统计分析，从而获得由微观粒子组成的宏观等离子体的运动规律和物质特性。但是由于微观粒子之间存在近程库仑力，因此静电噪声大大增加，使得这种方法难以推广。直到1969年，Birdsall等人在原有方法基础上提出了有限粒子模型，有效解决了微观粒子间库仑碰撞问题，使得等离子体粒子模拟仿真方法得到广泛的应用，这也就是著名的粒子云网格方法（Particle in Cell，PIC）。这种方法是从第一原则出发建立的模拟仿真方法，仅需要较少的唯象参数，所以比较适合用来深入研究等离子体物理的机理。

PIC方法与等离子体流体模拟方法有着根本的不同。等离子体流体模拟是对Vlasov方程速度空间进行平均的结果，必须适当地假定局部输运系数和速度空间分布函数，这样就无法分析某些非区域效应。在真空断路器开断之后的弧后介质恢复过程所涉及的物理现象的电子分布会显著偏离麦克斯韦分布，包括局部电荷分离效应（例如鞘层过程），中性金属蒸气的击穿过程。这些过程都是等离子体流体模拟所无法观察和模拟的，通常都需要采用PIC方法去建模分析。从理论上来说，只要模型的空间网格足够细，并且每个网格中的粒子数目足够多，那么PIC模拟就与直接求解Vlasov方程完全等同。

但是PIC方法并不是针对所有情况都是有效的。在一定条件下，PIC模拟与直接求解Vlasov方程等效，而Vlasov方程仅考虑了弱碰撞以及无碰撞的条件，所以需要修改PIC的基本物理框架，以使得PIC方法能够研究一些特殊的物理效应。为了能够模拟放电过程中的碰撞、激发、电离、复合等问题，PIC方法引入了蒙特卡洛法模拟解决粒子-粒子间的短程耦合。这种用PIC方法描述粒子的运动，并且采用蒙特卡洛方法模拟粒子间的近距离碰撞的方法称为PIC-MCC模拟。(www.xing528.com)

下面将详细介绍PIC-MCC方法。