电子回旋共振等离子体推力器放电机理数值模拟研究

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10~(16)~10~(17)m~(-3)数量级,氙气的电子数密度比氩气高50%;电子数密度、碰撞功率损耗均随着计算域内压强的增大而增大,电子温度随压强的增大而减小;电子数密度、碰撞功率损耗随着入射微波功率的增大而增大。在未来ECRPT的实际应用中,可以通过使用氙气,适当增大推力器腔内压强以及入射微波功率,使其具有最佳的推力、比冲和工作效率。     

微波等离子推进器性能预示的工程算法

对微波等离子推进器提出一种快速性能预估的工程算法。假设谐振腔内的工质参数均匀、气体与微波之间的能量耦合良好、喷管内流动为一维管流,利用等离子体的等温模型可以快速地对微波等离子推进器性能进行估算。采用可变节点划分方法处理喷管流场,避免了喉部奇点。计算给出一系列不同输入微波功率、工质流量及放电管内压强条件下合理的发动机性能参数。     

固体火箭发动机内流场分区耦合数值计算

采用分区耦合方法计算固体火箭轴对称燃烧室与喷管流场。对于低速的燃烧室流场，选用不可压流的Ｎ－Ｓ方程描述并用ＳＩＭＰＬＥＣ方法数值求解；对于高Ｒｅ数的喷管流场，则采用Ｅｕ－ｌｅｒ方程描述并用ＳＣＭ方法求解。计算时用燃烧室出流为喷管流场提供入口参数，同时用喷管流场压强分布反馈影响燃烧室流动状况。对耦合边界条件处理方法进行了探讨。对典型的侧壁加质燃烧室与喷管流场进行了计算，计算结果揭示了单独喷管流场计算难以反映的喷管收敛段近壁区的低速区域，与已有的燃烧室流场实验结果一致并反映了燃烧室与喷管流场之间的联系，较好地模拟了流动中的物理现象。     

螺旋波等离子体推力器放电过程的流体模拟

针对建立三维数值模型对螺旋波等离子体推力器放电进行数值模拟计算量过大的问题,使用COMSOL多物理场软件建立了二维轴对称结构,采用漂移-扩散流体模拟方法,分别改变工质气体种类、气体压强及射频功率,模拟了螺旋波等离子体放电过程,分析了不同参数条件下放电室中电子数密度、电子温度、碰撞功率损耗分布情况,结果显示,在一定条件下气体压强越大,电子数密度越高,电子温度越低,碰撞功率损耗越大,在1600～2400 W范围内,随着射频功率增大,电子数密度和碰撞功率损耗增加,电子温度变化较小,电子数密度在10~(18 ) m~(-3)左右,为螺旋波等离子体推力器的设计与实验研究提供了参考。     

飞行参数对射流矢量喷管内流场影响的数值模拟

采用三维雷诺平均N-S方程和k-ε湍流模型对固体火箭发动机燃气二次喷射矢量喷管内外流场进行数值模拟,研究飞行参数对矢量喷管内主/次流耦合流场的影响。结果表明,自由来流造成喷管出口附近压力变化,通过喷管内壁面附面层作用影响喷管内部流动特性。飞行马赫数为超声速,或者环境压强较低时,侧向力大小与飞行参数无关。在低空亚声速流中,侧向力随飞行马赫数增加迅速减小,随环境压强降低而减小。     

轴对称Boltzmann模型方程统一算法与空天飞行环境喷管流动模拟

拦截机动飞行器周围大范围区域存在主喷/侧喷流/羽流影响,而传统的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程不能很好模拟发动机喷管扩张段出口附近流动情况,需要一种新的方法来处理这种全流域流动问题。为解决该问题,针对特定轴对称喷管内流动,本文通过数学推导确立描述不同克努森数稀薄环境条件下的轴对称喷管内流动Boltzmann模型方程,初步建立适于该模型方程的数值格式与气体动理论统一算法。通过开展同轴圆筒间的定常/非定常旋转流动以及轴对称喷管内流动数值计算研究,发现统一算法计算流场与其他途径得到的结果吻合较好,验证了统一算法在全局克努森数喷管流动模拟的适应性和可靠性。通过与低密度风洞实验对比,喷管出口核心区羽流结构一致,羽流轴线压力分布一致,表明统一算法可以有效解决喷管入口压缩段到扩张段多流域混合,尤其是出口附近稀薄气体真空低压环境流动问题。     

微波在液体火箭发动机真空羽流中的衰减

为研究液体火箭发动机真空羽流对微波的衰减作用,以某双组元液体火箭发动机为对象,使用热力计算程序对燃烧室内的电子数密度进行了计算,使用冻 结假设和有限化学反应速率假设两种情况对喷管内带电粒子的电离和再结合过程进行了模拟,并对羽流中带电粒子数密度和5~30GHz微波穿过羽流的衰减量进行了估算.研究结果显示:该发动机燃烧室和喷管出口的电子数密度量级分别为 1013~1014cm-3和1010~1011cm-3,K,Na等碱金属为主要电子释放剂,Cl-,OH-等基团为主要电子吸收剂;低频微波在羽流中衰减更严重,5GHz微波的衰减可达4.5dB;微波斜穿羽流的衰减通常大于横穿情况.      

二维塞式喷管再生冷却换热的数值模拟

为了解塞式喷管再生冷却的换热特性 ,建立了二维型面塞式喷管计算模型 ,采用数值模拟的方法 ,研究了不同工况下塞式喷管的流场和换热特性。计算中 ,假定塞式喷管中的流动为冻结流动 ,考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热 ;采用二阶迎风格式离散控制方程 ,及 DO( Discrete Ordinates)模型离散求解辐射换热方程 ,水蒸气的吸收系数根据 Leckner公式计算。计算结果表明 :内喷管的受热情况最严重 ,需要重点考虑 ;塞锥的热防护随工作状况而改变 ,地面工况下塞锥的受热最严重 ,随着压比的升高 ,塞锥的受热逐渐减轻 ,最后不随环境压强而改变 ;塞锥型面设计不合理致使塞锥出现很高的温度峰值      

高精度ENO格式在喷管流动模拟中的应用

本文分析了ＥＮＯ格式的特点,并应用于Ｅｕｌｅｒ方程和全ＮＳ方程的迁移项和压力项,模拟了各种喷管流动。首先计算了ＪＰＬ喷管流动,取得了和实验一致的结果,分析了喷管内产生弱激波的原因;其次计算了非定常二维喷管流动,给出了相应的计算结果,并分析了壁面附近流场的拓扑结构;最后计算了摆动喷管的流动及推力矢量计算,取得了推力随摆角变化的规律,和实验结果表明基本一致。     

喷管中泡状气液两相流影响因素分析

为了获得边界条件对缩放喷管中泡状流的影响,采用包含气泡动力学的连续均质混合流模型,基于求解Rayleigh-Plesset方程的变步长龙格-库塔方法,提出一种稳态泡状流求解的迭代修正计算方法,实现了喷管中流场计算。获得了气泡半径、混合密度在喷管中变化情况。将不同边界条件下的计算结果进行对比分析,得到了气泡平衡半径、喷管入口含气率及入口速度对流动的影响。     

激波诱导圆形矢量喷管数值研究

利用时间推进的有限体积法求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程,对激波诱导矢量控制方案的圆形收敛-扩张喷管全流场进行了数值模拟.从射流压强比及落压比的变化计算了次流对主流的控制效果.结果表明,利用激波诱导方式可有效的迫使主流偏转,在落压比为4、射流压强比为1.499时,矢量偏转角最大可以达到15.35°.通过分析,圆形喷管中形成的激波为三维曲面激波,结构比较复杂,数值研究可观察到清晰的流场结构,为试验研究提供参考.      

固体发动机喷管内两相流的有限元数值模拟

本文给出了固体发动机喷管内两相流的数值模似。从非守恒型两相流甚本方程出发,采用加权积分技术,导出了离散点的流动物理量的有限元数值计算公式。数值模拟分别与JPL喷管的两相流壁面静压分布测量结果以及与差分法计算结果作了比较,比较结果表明:二者是吻合的。本文还以中型喷管为例,计算了粒子的轨迹,粒子的速度滞后和燃气的温度滞后,计算结果表明;入口粒子冲击角对粒子轨迹有明显的影响。     

跨音速喷管流动的数值模拟

数值方法采用的差分格式是具有高分辨率和快速稳定收敛性质的全变差衰减(TVD)格式。喷管壁面形状和反压可任意给定,对于典型轴对称与二维喷管(即壁面由收缩角为45°,扩张角为15°的两条直线用圆弧光滑连接而成。圆弧的无量纲半径等于0.625,其参考长度为喉道半宽),进行了有激波与无激波流动的数值模拟。计算结果与实验结果以及其他计算结果符合良好,此法可推广到非定常跨音速喷管流动的计算,并可用于工程中喷管设计。     

磁控等离子体对收敛喷管性能的影响

采用诱导磁场方程,Mixture混合两相流和磁场修正的湍流两方程模型,研究施加不同强度磁场时,收敛喷管内等离子体的流动和传热特性以及等离子体对尾喷流的包裹情况.结果表明,随着气流在收敛喷管内加速,等离子体被掺混的程度增加.增强磁场可提高近壁面处等离子体体积分数,抑制其湍流度,降低高温气体向喷管壁面的传热.当B_y=1.3T时,磁控等离子体可降低54.4%的壁面温升,增加0.74%的喷管推力系数,在出口4倍当量直径处对尾气仍有一定的包裹.      

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。     

考虑进口非均匀的喷管设计及冷流条件下的性能研究

超燃冲压发动机尾喷管与燃烧室直接相连,由于没有几何喉道和收缩段的整流作用,实际工作过程中尾喷管的进口气流是非均匀的,因而有必要研究非均匀进口条件下的尾喷管设计方法。以超燃冲压发动机尾喷管非均匀进口马赫数分布为条件,采用有旋特征线设计了超燃冲压发动机非对称尾喷管的等熵膨胀型线。利用数值模拟和试验相结合的方法研究了冷流条件下喷管的气动性能。结果表明,在相同的进口条件下,相对于假定进口马赫数均匀分布设计得到的喷管,考虑进口马赫数非均匀分布设计的喷管推力增加0.6%~2.0%,负升力降低可达82.0%,俯仰力矩增加8.6%~13.0%,这说明在喷管的设计过程中考虑进口参数分布的非均匀性是有必要的。     

微波干涉仪在火箭羽流电子密度测定中应用研究

为研究火箭羽流的等离子体对导弹隐身性能和制导能力的影响,利用微波干涉仪设计了一种基于微波法的电子密度测试系统。采用有效的噪声屏蔽硬件措施和消除噪声的数据处理方法,提高了电子密度测试的精度。准确测试出不同推进剂之间电子密度特征上的差异,其测试结果与理论预估相符。该测试系统的使用对高电子密度的推进剂配方改进及等离子发动机设计具有一定的指导意义。     

跨声速扩压器设计及性能分析

对一种用于涡轮基组合发动机的扩压器进行了型面设计和性能分析.该扩压器进口与二维超声速进气道出口相连.设计过程中,将扩压器分为进口段、二维扩压段和出口等截面段,采用几何方法设计,并采用CFD数值模拟方法计算了扩压器流场,从设计和计算结果可以看出,扩压器出口总压和马赫数分布随着出口等截面段长度的增加而变得均匀,出口静压提高使得位于二维扩压段的正激波前移,在设计要求的反压范围内,正激波一直处于喉部之后,符合扩压器的设计要求.最后本文分析了采用"中襟翼"法控制流动分离并提高扩压器性能的方法.     

二维喷管两相流动实验理论研究

 一、实验研究 （1）实验装置 图1是实验装置系统示意图。整个系统分为气源,颗粒输送器,过渡段,实验喷管和测量仪器五个部分。实验中气相用压缩空气,颗粒相用铝粉。 气源由两个贮气罐构成,输入端接高压管路,输出端接过渡段。颗粒经由粒子输送轴上的螺旋形通道,被送到过渡段与气相混合。颗粒质量流量通过辅的转速来控制。过