电离层F层是大尺寸的天然等离子体区域,其中的等离子体分布具有非均匀、时变等特点。利用电磁波对电离层加热研究电离层等离子体的电波传播特性是近年来的热门课题之一。时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)方法可以对复杂目标中的电磁问题在时域直接计算求解,是电磁仿真领域被广泛应用的数值方法。使用FDTD算法对电离层加热过程进行数值模拟能够直观地展现电磁场以及等离子体密度的变化情况,有助于理解电离层与电磁波间复杂的相互作用。本文将采用FDTD方法对电离层加热过程中的Langmuir湍动开展数值仿真研究,主要研究内容如下:1.电离层Langmuir湍动的FDTD数值仿真。本文将Maxwell方程组和等离子体流体方程联立,建立起电磁波在电离层中传播的数值模型,简要分析了电离层等离子体中的色散关系,并给出了具体的FDTD迭代式。采用高纬度地区电离层加热实验的参数进行数值仿真,分析了电离层加热激发Langmuir湍动效应的过程中电磁场分布随时间、高度的变化以及模式转换情况,验证了该方法的可行性和正确性。2.等离子体背景下的FDTD连接边界条件。根据电磁波在色散介质中的传播特性,基于惠更斯等效原理提出了以等离子体为背景的连接边界条件,对引入到总场区的入射源进行修正。通过算例分析了总场区的相干误差以及散射场区的泄漏,验证了该连接边界条件的有效性。3.FDTD算法的非均匀嵌套网格研究。由于电离层Langmuir湍动涉及到的电离层剖面、电磁波波长、激发的静电波波长处于不同的数量级,在Courant-Friedrich-Lewy(CFL)稳定性条件的限制下,采用均匀网格将导致计算效率严重降低。为了减少计算量、节约计算时间,本文研究了FDTD算法的非均匀嵌套网格,以电离层加热的数值模型为例,详细地讨论了网格剖分原则以及不同尺寸网格间的场值转换方法。在背景等离子体密度无空腔、有空腔的情况下,分别比较了非均匀嵌套网格和均匀细网格的仿真结果,验证了该网格的正确性;比较两种网格的计算时间,结果表明非均匀嵌套网格法有效地提高了计算效率。最后结合等离子体背景下的连接边界条件,对电离层Langmuir湍动的形成过程进行FDTD数值模拟,不同时刻的电场分布情况和连接边界在真空中、均匀细网格的计算结果一致。