微推力ECR离子推力器等离子体源电子获能计算分析

为满足小型航天器的微推进需求,开展了微推力电子回旋共振(ECR)离子推力器的计算研究。实现该推力器的关键是ECR等离子体源合理的磁场和电场分布数值计算,从而使电子在穿过ECR谐振区时能够获得最大能量。为此以双环形永磁材料结构作为磁路,分别以直线形、环形和盘形微波耦合天线产生微波电磁场,同时改变等离子体源特征长度,利用有限元软件计算并分析ECR等离子体源内磁场和微波电场的分布规律以及电子在ECR区的获能规律。结果以微波输入功率5W、频率4.2GHz为例,发现环形耦合天线与较短等离子体源特征长度的结构组合可使电子在ECR区的获能指标达到最大且分布最佳。     

基于螺旋慢波加热机制的电子回旋共振离子源电磁计算分析

为提高电子回旋共振离子推力器(ECRIT)的推力,扩展其应用领域,从制约离子源电离度的电子加热机制出发,研究螺旋慢波条件下ECR离子源的电子加热机制,并与传统耦合天线的加热机制进行对比,得到了螺旋慢波的加热特点。基于螺旋天线的色散方程,采用有限元方法,计算并分析不同结构参数下离子源放电室内静磁场、微波电场和ECR区电子获能指标的分布规律,最终获得螺旋慢波加热的新型ECR离子源结构。计算结果表明,螺旋慢波条件下,电子加热范围得到显著拓宽,更有利于离子源电离度的提高。在输出频率4.2GHz、输出微波功率30W和给定离子源腔体结构条件下,以最宽电子加热范围为目标,计算得到离子源最佳的螺旋慢波耦合天线和磁路结构,此时螺旋角为7°,磁环位置为a=10mm,b=20mm。     

电子回旋共振离子推力器放电室低信号调试

微波输入技术是电子回旋共振离子推力器的关键技术之一,输入微波在推力器放电室内产生谐振的时候,微波功率才能高效地被吸收,从而电离气体,提高电子的能量,增加等离子体的电离度。电子回旋共振离子推力器放电室是一个不规则的微波谐振腔,很难从理论上确定其谐振状态下的结构。本文利用网络分析仪,采用微波无源器件回波损耗的测试方法对放电室进行精确调谐,分析微波谐振频率及带宽,目的在于详细研究放电室的结构尺寸、微波耦合探针形状和尺寸在谐振状态下的匹配性。调试结果表明放电室增加14 mm圆柱段,选择圆柱段长度22 mm和球形直径9 mm的组合探针,可以得到较好的谐振状态,此时腔体的回波损耗为-23 dB,谐振频率4.195 GHz,谐振带宽为0.025 0 GHz,品质因素为167.848。     

同轴型微波等离子推力器磁场效应

在2.45 GHz同轴型微波等离子体推力器中加入磁场可以提高推力器的性能。这是由于磁场的存在,在推力器启动阶段会形成电子回旋共振区;稳定工作时,等离子体获得的焦尔热比没有磁场时高,这些都增加了等离子体吸收的微波能量。以氩气为工质,对外加磁场微波等离子推力器进行了实验研究,结果表明,推力器可以达到较高的耦合效率。对等离子体羽流的诊断则表明,外加磁场提高了推力器谐振腔内工质气体的电离度。     

超磁致伸缩电静液作动器磁场分析与优化

提出一种超磁致伸缩电静液作动器（GMEHA）结构,采用永磁体与控制线圈组合提供驱动磁场.首先建立了该组合磁路数学模型,并给出了超磁致伸缩棒内磁感应强度计算解析式;其次,对以上结构进行了有限元分析（FEA）,得出了磁路主要结构参数与磁场分布均匀性之间映射规律;最后进行了作动器磁场试验研究并与有限元分析结果进行了对比,验证了理论与有限元模型的可预测性,给出了该电静液作动器结构设计方法.结果表明:该电静液作动器的最佳驱动频率为250Hz,最大无负载体积流量为0.85L/min,最大阻断力达到了120N.      

基于等效磁路法的轴向磁场磁通切换型永磁电机静态特性分析

轴向磁场磁通切换型永磁(AFFSPM)电机是一种轴向长度短、转矩密度高的新型永磁电机。该电机磁场呈三维分布,与径向磁场电机不同,需要对该电机进行三维有限元分析,从而增加了电机分析和优化时的计算时间和成本。基于等效磁路法分析了AFFSPM电机的静态特性,建立了AFFSPM电机的非线性等效磁路模型,采用该模型计算、分析了气隙磁密、空载永磁磁链、反电动势和电感等特性,并与采用三维有限元方法的计算结果进行比较,验证了AFFSPM电机等效磁路模型的准确性,表明等效磁路模型适用于AFFSPM电机初始设计和分析。     

高精度加速度计力矩器磁路的设计与仿真分析

力矩器磁路性能决定了加速度计标度因数的性能,为此利用有限元方法对力矩器磁路的磁通密度进行分析,在此基础上提出了两种结构优化设计方案,并对其进行仿真计算。仿真结果表明,改变导磁帽的形状可以提高气隙磁场的磁通密度的稳定性和均匀性,但导磁帽易出现饱和现象;通过降低磁钢的高度,同时增加导磁帽的高度,既能大幅度的提高磁场的稳定性和均匀性,导磁帽也不会出现饱和现象,但气隙磁场的磁通密度均值会降低37.25%,非线性误差为1.83%,优化后气隙磁场存在着磁通密度稳定（径向均值为0.42868T）和均匀的区域。     

基于不同定子槽模型的分段磁路分析

结合等效磁场实现转子内磁场强度至转子轭表面的转换,分别建立了开口、半开(闭)口定子槽模型,采用分段磁路法分析各段磁路长度变化情况,给出了不同定子槽模型下齿槽转矩的解析式。分析定子冲片选用不同牌号的硅钢片材料对齿槽转矩的影响。经研究表明:分段磁路法能够提高槽间磁路近似精度,且经分析优选的定子硅钢片材料可较为有效地削弱齿槽转矩。     

高精度石英挠性加速度计力矩器磁路仿真分析

针对石英挠性加速度计标度因数非线性误差主要来源于力矩器磁路性能非线性及不同温度下加速度计参数随力矩器中永磁体磁性能变化产生漂移的问题,建立了力矩器的1/4二维有限元分析模型,对使用新型永磁体加速度计力矩器磁路进行计算,得到了不同结构下工作气隙磁密分布规律及不同温度下工作气隙磁密的温度系数.依据仿真结果,优化设计后的气隙磁密线性长度增加了72％,实测数据证明该方案加速度计的二阶非线性误差优于5×10-6,同时该方法为仿真计算加速度计标度因数的温度系数提供了新思路.     

LIPS-200离子推力器放电室原初电子动力学行为的数值模拟研究

为了得到试验测量不到的气体放电过程中电磁场作用下单个原初电子的动力学行为,建立了LIPS-200离子推力器放电室二维仿真模型,应用网格粒子法(PIC)和蒙特卡洛碰撞(MCC)模拟法对其进行了研究。模拟得到在额定工况下原初电子和中性原子之间的碰撞概率、原初电子损耗率、电磁场分布对其运动速度及运动轨迹的影响等。结果表明磁铁表面磁感强度最大,越靠近放电室内部磁感强度越小,对称轴区域无磁场分布,原初电子在电磁场作用下沿磁力线作加速螺旋运动;运动等离子体的自洽电势大小范围仅为0~2.0V,几乎不会影响等离子体运动;对应总原初电子个数为1.2×106时直接被阳极表面吸收的损耗率仅为0.02%。     

基于Gauss热源模型的BT20钛合金管口激光焊接数值模拟

基于热弹塑性有限元方法,建立激光焊接的热力学计算模型,利用三维有限元分析软件AN-SYS,使用其APDL语言,对BT20钛合金管接头激光焊接过程中的温度场和应力场有限元模拟问题进行了研究.结合数值计算,讨论了激光焊接过程中采用瞬间空冷后,试件内应力的分布情况.     

基于力场转换理论的图像粗大边缘检测方法

基于粗大边缘的异源图像匹配在导航制导等领域具有广阔的应用前景,但是现有边缘检测方法很难提取出异源图像中的粗大边缘.根据异源图像成像原理和灰度分布特点,提出一种基于力场转换理论的异源图像粗大边缘检测新方法.首先,根据引力概念计算图像中各像素点受到合力的大小和方向;其次,为了去除光照和异源图像灰度不同的影响,对图像中像素点...     

流场计算程序并行化方法的研究

利用“流场分区”的方法把流场计算程序并行化,并成功地在Transputer并行计算机上运行,并行效率可达到80％。介绍了流场划分、并行编程以及提高并行效率的方法。     

流-固耦合计算的应用研究

为了解决用常规算法求出的流体与固体对流换热系数的不真实性问题,采用了流固耦合计算方法计算固体壁面的温度.其中采用模型模拟湍流流动,用壁面函数法修正处于流场内部的固壁,通过固体和流体双向耦合换热计算,得出了整个流场、温度场包括(固体部分和流体部分)的分布.     

基于CFX的涡轮叶片流场及温度场的数值模拟

涡轮叶片作为航空发动机重要的热端部件,其工作情况直接影响到涡轮的机械效率.利用流体计算软件CFX研究了涡轮叶片工作时的流场及温度场,并进行了较为深入的分析,较真实地展现了叶片工作时的情况,为验证冷却方式的有效性及对涡轮叶片进行热-结构耦合计算奠定了基础.     

弹射动力系统燃气发生器流热固耦合数值研究

为了判断弹射动力系统燃气发生器工作的安全性,需要预示工作过程中燃气发生器壳体的力学响应。基于软件CFX和ANSYS,建立了燃气发生器复合结构流热固耦合仿真模型。对燃气发生器内流场和结构温度场进行流热耦合计算,并将壳体温度场计算结果与试验数据进行对比,再将算得的燃气压强分布与结构温度场分布导入ANSYS以计算结构的力学响应。计算结果表明,燃气发生器工作过程中,直筒段最高温度点位于直筒段与后封头连接的绝热层缝隙处,后封头最高温度点位于后封头与喉衬配合部位的上游端。结构最高温度值仅354K,说明热防护良好;直筒段和后封头壳体主体区域应力安全系数>3,满足设计要求,而在法兰附近圆角过渡处外壁存在应力集中,最大应力处安全系数降为1.13,燃气发生器壳体仍处于安全状态,但存在安全裕度显著降低的风险。     

直升机动力舱高温段流场及温度场的稳态模拟

利用有限体积法,建立了直升机发动机动力舱的有限元模型,并根据舱内实际冷却气体流通情况,分析了在不同的发动机附件散热量边界条件下,动力舱内流场及温度场的分布,以及流场对温度场的影响,为改善动力舱的冷却情况提供了分析依据。     

两种会切场离子推力器对比研究

环型会切场离子推力器和柱型会切场离子推力器是当前广泛应用和研究的两种会切场离子推力器。基于30cm环型会切场离子推力器LIPS-300H和30cm柱型会切场离子推力器LIPS-300Z,对比研究了两类会切场离子推力器各自优劣及其机理。首先分析了两种会切场原理,总结给出了两种会切场差异,然后实验对比研究了两种会切场离子推力器束流均匀性、放电效率和寿命。实验结果显示：LIPS-300H相比LIPS-300Z在3kW和5kW工况下束流密度峰值分别降低25%和19%,放电电压分别降低7.8V和6.2V,放电损耗分别增加20W/A和32W/A,屏栅预测寿命分别增加6.7倍和3.2倍。试验结果表明：虽然LIPS-300Z比LIPS-300H具有放电损耗低的优点,但其较差的束流均匀性,较高的阳极电压和双荷离子比,使其在寿命和可靠性方面劣于LIPS-300H。     

磁射流抛光中磁场的分析与设计

介绍了一种新型抛光技术——磁射流抛光中磁场对磁流变液粘度的影响,设计了相适应的磁场形式,重点分析了铁磁喷嘴头部形状对磁场的影响,并通过ANSYS有限元软件仿真了结构形状对磁场空间特性的影响。     

磁场作用下的TIG电弧行为分析

在磁流体动力学理论的基础上,针对外加纵向磁场作用下的钨极氩弧焊(TIG)电弧在旋转圆柱坐标系中建立了不同电流密度的数学模型。通过Fluent用户自定义函数进行编程开发,对其流场和电磁场进TIG电弧温度场呈现空心钟罩形态,并表现为双峰分布,在近阳极表面位置出现"低温腔",且电流密度越大,"低温腔"越大;其次,纵向磁场的作用造成阳极表面的压力变化也呈现双峰分布,其峰值压力较无磁场作用时下降了约70%,且电流密度越大下降的越多。