离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟

离子光学系统的离子束引出过程是离子推力器重要的物理过程,该过程直接关系到推力器的推力、比冲、效率等参数。为研究离子在离子推力器光学系统中的运动特性,使用了基于IFE-PIC（Immersed Finite Element Particle-In-Cell）的离子推力器光学系统离子束引出过程的三维数值计算模型,计算了栅极间电场分布、电荷密度,栅极冲击电流及欠聚焦极限。计算结果表明,当屏栅极电压不同时,发生欠聚焦的等离子束电流也不同。在欠聚焦工况下,一部分离子与栅极碰撞,产生冲击电流。冲击电流随电离室等离子体数密度增加而增大。     

高压静电场中油液射流特性的实验研究

依据静电学和液体荷电的基本原理,分析了高压静电场中荷电油液在射流区、过渡区和雾化区的特性,提出射流长度,雾化角和液滴粒径分布是描述液体荷电射流特性的主要指标。通过自行设计和组装实验装置,分别探讨了不同电压下油液的射流长度和雾化角随电压的变化关系以及液滴粒径在电场中的分布规律。研究表明：射流长度随着电压的增大,总趋势是减小的,但在不同区域,电压对射流长度的影响不同;雾化角随电压增大到一定程度后,逐渐减小,最后趋于稳定;液滴的粒径随着电压的升高不断减小,当电压在65kV左右时,粒径较小且分布最为均匀。     

离子液体电喷微推力器系统设计及性能初步研究

为了研究发射电压和流量对离子液体电喷微推力器性能的影响,设计了一种主动供给型离子液体电喷微推力器,建立了推进剂供给系统、真空系统和飞行时间测试系统,首先对推进剂供给系统进行了流量标定,使用飞行时间法在不同流量和不同发射电压条件下对推力器进行测试,根据飞行时间曲线得出推力器的基本性能。试验证明推力器能够在真空环境中实现正负模式交替发射,得到了推进剂供应系统的流量变化范围和推力器性能随发射电压和流量的变化规律。结果表明该系统推进剂流量供应为100nL/s～500nL/s。发射电流均随发射电压和流量增加而增加,发射电流受发射电压的影响更加显著。推力器推力受发射电压影响较大而比冲受流量影响较大。在实验条件下推力器的推力为112μN～183μN,比冲为250s～315s,效率为77%～90%,表明推力器处于胶体发射模式。     

结冰风洞中液滴过冷特性数值研究

为明晰结冰风洞中液滴过冷特性,发展了基于欧拉法的气液两相耦合流动计算方法,模拟了结冰风洞中气液两相耦合流动过程。在此基础上,首先开展了参数影响研究,然后考察了典型结冰风洞构型中三维收缩效应对液滴过冷特性的影响,最后评估了该风洞试验段内液滴过冷状态。结果表明:结冰风洞中液滴过冷特性主要受液滴粒径和气流速度影响,增大液滴粒径和气流速度会显著增加两相温度平衡距离;结冰风洞中的液滴传热过程可以分为准一维传热和三维收缩传热两个阶段,三维收缩传热阶段对液滴过冷状态的影响显著强于准一维传热阶段,三维收缩效应对液滴过冷状态起决定性作用;在典型试验工况下,粒径小于40μm的小粒径液滴在试验段内均达到过冷状态(液滴气流温度差小于2℃),但粒径大于100μm的大粒径液滴在高风速条件下(试验段气流速度为157m/s)未达到过冷状态(液滴气流温度差大于5℃)。     

胶质微推进液滴加速过程的数值模拟

采用拉格朗日粒子跟踪法计算液滴的运动轨迹,对胶质推进器中带电液滴在加速区的运动过程进行了数值模拟,获得液滴速度和密度的空间分布。使用两种溶剂(TBP3,甲酰胺)作为推进剂,分析了电压、流量变化对喷雾扩散角、液滴轴向速度及对推进器性能的影响。模拟结果表明,随着电压的增加,液滴轴向速度增大,喷雾扩散角减小;随着流量的增大,液滴轴向速度和喷雾扩散角均减小;使用甲酰胺推进剂比使用TP3推进剂得到更高的推力和比冲;模拟得到的推进器性能能良好符合实验结果。     

横向气流中航空煤油凝胶液滴二次雾化特性实验研究

为研究航空煤油凝胶液滴在横向气流中的二次雾化特性,建立了二次雾化实验台,制备了3种胶凝剂含量下的航空煤油凝胶,在不同实验条件下(82We691,9.6×10-4Oh3.77)对液滴二次雾化过程进行了拍摄。测量了液滴变形、破碎模态、破碎时间、剥离速度及R-T(Rayleigh-Taylor)不稳定波波长等特征参数,并与航空煤油液滴进行了对比。结果表明:在实验条件,煤油和煤油凝胶液滴无量纲变形率在0.5~2.0,胶凝剂含量增加,液滴粘性效应增强,平均无量纲变形率降低;航空煤油和凝胶液滴具有两种破碎模态,同种破碎模态下,煤油和煤油凝胶的破碎过程相同;煤油和煤油凝胶液滴初始和总破碎时间随We数变化规律基本相同。不同Oh数下,3%煤油凝胶初始和总破碎时间与文献计算值相差较大,而其余3种材料液滴则吻合较好;液滴剥离速度随We数逐渐增加。We数低于200时,煤油剥离速度高于煤油凝胶,但继续增大We数时则相差不大;R-T不稳定波波长随We数增加而减小。煤油、1%和2%煤油凝胶波长实验值和理论值基本吻合,而对3%煤油凝胶,理论值则高于实验值。     

液滴喷射过程流场和温度场的数值模拟

 建立了液滴喷射过程流场和温度场的计算模型，研究了在外加周期性正弦扰动作用下，石蜡液滴形成过程的流场和温度场及其变化情况，给出了不同扰动频率下所形成液滴的形态及其变化规律，得出了比较均匀的液滴流，指出扰动频率对液滴的形成及其均匀性具有重要影响。模拟结果与文献中的实验结果吻合较好。     

基于图像处理的高频脉动撞击雾化特性研究

为研究高频脉动下撞击式喷嘴的雾化特性,采用水力扰动装置产生喷前压力扰动,由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄,采用普通长焦距镜头拍摄宏观的喷雾场,采用微距镜头拍摄微观的喷雾场。为解决高频脉动喷雾场瞬态液滴粒径测量困难的问题,基于图像处理建立了雾场瞬态液滴粒径捕捉测量方法,获得了高频脉动喷雾场局部区域的Sauter平均直径（SMD）随时间的变化规律。从宏观来看,自然喷雾场的液滴空间分布比较均匀,而高频脉动喷雾场则出现了稠密区与稀疏区交替分布的现象。宏观雾场灰度值较小的区域对应稠密喷雾区,从微观来看,该区域的液滴行为更加复杂,发生了液滴碰撞融合、二次破碎等一系列复杂物理过程。雾场空间出现复杂的液滴行为,导致液滴的粒径分布与空间分布发生改变,对燃烧释热产生重要影响。自然喷雾场的SMD随时间的变化表现出白噪声特性,高频脉动喷雾场的SMD随时间的变化表现出周期性特征,并且周期性变化的频率与施加的强迫扰动频率一致。     

射频离子推力器多元工质束流调节试验研究

为了获得射频离子推力器离子束流随放电参数的变化规律,采用试验研究的方法,就推力器引出束流与射频功率强度、工质种类、工质流量之间的调节规律开展了研究,搭建了射频离子推力器束流调节试验系统。研究结果表明:屏栅电压1200V,加速电压-250V,射频功率200W～700W,工质流量0.2mg/s～4.76mg/s,Xe,Ar,O_2,N_2四种工质下能够可靠放电并稳定引出,实现束流从54mA～467mA的调节,电离效率XeArO_2N_2,离子束流随射频功率和工质流量线性增加,在1.01mg/s的氙工质下,推力、比冲随射频功率从100W～400W线性增加实现推力7.35mN～27.5mN,比冲1191s～3696s大范围连续可调,工质利用率为21.1%～78.8%,并在射频功率为276W时工质利用率和功耗之间存在明显拐点,在应用中要根据任务选择最佳工作区间,合理控制工作参数可以提高推力器工作性能和效率。     

空气助力式喷嘴雾化实验及仿真

用马尔文激光粒度测试仪对自行设计的气动雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究,测量了不同工况下喷雾流场的液滴粒径.根据实验结果,分析了水压、气压、气液比等因素对液滴粒径和均匀性的影响,讨论了液滴粒径随距喷口轴向距离增加的变化规律.最后,利用Fluent软件对喷雾外流场进行了三维数值仿真,其结果与实验结果吻合较好,验证了仿真方法的可行性.     

单个RP-3航空煤油液滴的超临界蒸发实验研究

目前以航空发动机为背景的针对液态碳氢燃料的超临界蒸发研究很少,鉴于未来高性能航空发动机的研制需求,选取国产RP-3航空煤油为研究对象,对液滴的超临界蒸发进行了研究。分析了蒸发过程中不同环境参数下液滴无量纲直径的平方随时间的变化规律,实验结果表明超临界蒸发与常规亚临界蒸发特性存在很大的差异;根据实验结果绘制了液滴蒸发时间随环境参数变化的曲线图,并分析了蒸发过程中不稳定度的变化规律,发现在不同的温度范围内环境压力对液滴蒸发时间的影响规律是截然不同的,同时不稳定度Bi随环境温度及压力的升高而增大;对不同工况下液滴的瞬态蒸发常数以及平均蒸发常数进行了定量计算,分析认为影响液滴蒸发常数的两个主要因素是环境温度和环境压力,且后者占主导地位。     

场致发射电推力器羽流分布特性仿真

场致发射电推力器（FEEP）是微型电推进装置的典型代表。为深入理解结构参数对推力器性能的影响机制,本文采用PIC粒子模拟方法进行泰勒锥射流纳米尺度结构至宏观毫米尺度结构的羽流场仿真,并分析结构参数变化导致的羽流形貌差异及其对推力器性能参数的影响。研究结果表明：发射极高度是决定推力器束流是否会分叉的关键参数,低于300μm的发射极高度易于导致束流分叉并严重影响推力器性能和寿命;引出栅极槽宽是决定束流发散角和推力比冲性能的关键参数,其影响幅值可达30%～50%,羽流发散角随槽宽增加而增大,推力比冲随之减小;发射极-引出栅极间距对推力器性能影响相对较小,可在较大范围内支持推力器稳定高效工作。根据FEEP推力器性能随结构参数的变化规律,建议结构参数取值范围为：发射极高度500～1000μm,引出栅极槽宽2000μm左右,发射极-引出栅极间距360～1300μm。     

超声波喷嘴试验研究

对超声波喷嘴的工作原理及工作特性进行了理论分析和试验研究,利用计算机图象处理技术重点研究了压电器件材料物性参数d33、激励电压A、喷射压力p、喷孔直径d0、喷嘴腔纵向尺寸δ及激励频率f对射流液滴形成的影响。研究表明：较低的射流压力和较小的喷孔直径以及较大的d33压电器件都有利于液滴的形成和工作稳定性,而激励频率f和喷嘴腔纵向距离δ都存在着最佳值。这些结论可以指导喷印机超声波喷嘴的设计。     

连续均匀气流中单液滴破碎特性试验

为了获得均匀气流中单液滴变形、破碎特性,采用高速摄像机对液滴的变形、破碎过程进行了测量。试验设计工况下所得结果表明: (1)冷态气流中,液滴变形速率随[We]数的增加呈线性增加的变化趋势,[We]数在15～40液滴变形速率在0.2m/s～0.8m/s变化,[We]数在45～60液滴变形速率在0.6m/s～1.4m/s变化;(2)模糊数学模型计算结果表明,冷态气流中,液滴初始直径对液滴变形速率的影响能力弱于初始气/液相对速度,[We]数在15～40液滴直径、气/液相对速度的权重系数分别为0.29,0.71,[We]数在45～60液滴直径、气/液相对速度的权重系数分别为0.343,0.657;(3)液滴的初始直径增加使得液滴发生破碎的临界[We]数增大;(4)液滴的破碎时间分别随气流流量、气流温度的增加呈负指数的变化趋势,且变化趋势都随气流流量或气流温度的增加而减弱。     

有蒸发稀液雾冷态射流的大涡模拟研究

为研究气相湍流场中液滴弥散和蒸发过程的特点和影响因素,加深对气液耦合作用的认知,用欧拉-拉格朗日相结合的办法数值模拟了稀液雾冷态受限射流和自由射流。欧拉坐标系下的气相湍流场使用大涡模拟技术模拟,离散液相则使用拉格朗日颗粒轨道模型进行描述,考虑相间质量、动量、能量交换,采用相平衡蒸发模型模拟液相的蒸发效应。模拟得到的液相速度场、粒径分布和质量流率等均和实验数据较好吻合。有回流的受限射流中初始惯性对Stokes数大的液滴弥散影响较大,而Stokes数在1附近的小液滴弥散更受气相流场结构影响。液雾单位体积蒸发速率和液滴弥散分布密切相关。自由射流中液滴受初始惯性和受气相流场作用大体一致,大小液滴的弥散分布基本满足自相似性。     

来流温度振荡对液滴燃烧释热特性的影响

液滴蒸发、燃烧过程均对温度变化较为敏感,为了获得液滴燃烧释热过程对于温度振荡的响应特性,对庚烷液滴气液两相燃烧问题进行了数值模拟。主要分析了来流温度振荡频率分别为2k Hz,5k Hz和10k Hz,温度振荡幅值分别为5%,10%和15%时,液滴燃烧过程中释热速率振荡幅值及相位差变化规律,同时考察了液滴直径变化产生的影响。结果表明,释热速率振荡幅值随着来流温度振荡频率和振荡幅值的增加而大幅升高;释热速率波动与来流温度振荡之间的相位差受温度振荡频率影响较大;改变液滴直径可以有效控制释热响应特性,相同工况下,减小液滴直径会使得释热振荡幅值显著降低;由于温度振荡与液滴的蒸发和释热之间的相互影响,使得在部分工况下液滴燃烧释热响应特性出现了显著的非线性特征。     

环境压力对双组分运动液滴蒸发特征影响的理论研究

为获得亚临界条件下,环境压力对双组分运动液滴蒸发特性的影响规律,基于多组分液滴蒸发模型,对癸烷—乙醇二元混合液滴在高温氮气环境下的运动蒸发过程开展模型研究。通过模型计算,获得了液滴内部浓度分布、温度分布和液滴速度随时间的变化;分析了在环境压力0.1MPa和2MPa下,不同浓度液滴温度、尺寸及表面乙醇浓度的变化特征。结果表明:双组分液滴运动蒸发过程中,内部存在显著浓度和温度梯度,传热扩散快于传质扩散。常压环境下,液滴温度经历瞬态加热和平衡蒸发两个阶段,而高压环境下,液滴温度逐渐升高至接近环境温度。双组分液滴蒸发过程中由于组分浓度随时间变化,其无量纲尺寸随时间变化明显偏离"d 2理论";环境压力越高,液滴运动的贯穿距离越短,蒸发速率越慢。乙醇浓度对液滴蒸发速率的影响有两方面:蒸发前期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率越快;而蒸发后期,乙醇浓度越高,液滴蒸发速率反而越慢。     

毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗、沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16mm,内径3mm,主电容2.5μF,充电电压为2kV时,输出元冲量350.79±7.50μN?s,比冲531s,总体效率可达18.3%。     

空间推进技术专刊——毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性分析

为了研究毛细管放电型脉冲等离子体推力器输出特性,本文借助电学诊断手段展开实验研究,获得了推力器典型放电波形,系统研究了不同毛细管内径和施加电压对等离子体等效阻抗,沉积能量效率的影响规律。利用微冲量测量台架,测试了不同参数下毛细管推力器输出元冲量,并通过计算获得了推力器比冲、总体效率的变化规律。实验结果表明,当毛细管内径不断增大时,能量沉积效率不断下降,元冲量下降,比冲降低。主电容电压增大时,放电能量不断增大,能量沉积效率降低,元冲量和单次等效烧蚀质量不断增大,但推力器比冲和总体效率均先增加并趋于稳定。当毛细管腔体长度为16 mm,内径3 mm,主电容2.5 μF,充电电压为2 kV时,输出元冲量350.79±7.50 μN s,比冲531 s,总体效率可达18.3%。     

激光脉宽对含碳粉GAP推进剂推进性能影响初步研究

针对激光烧蚀微推进技术中推进剂微推力偏小、冲量耦合系数较低的现状,设计了掺杂碳粉的聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂。利用低功率半导体激光器,对GAP推进剂的推进性能进行了测试和分析,获得了不同脉宽条件下,比冲、冲量耦合系数的变化规律。研究结果表明,激光功率7W、脉宽2ms时,推进剂比冲和冲量耦合系数最大分别为100s和195μN/W。