磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

脉冲等离子体推力器宏观特性数值研究

为了揭示脉冲等离子体推力器（Pulsed plasma thruster,PPT）的宏观工作特性,以传统＂弹丸＂模型为基础,提出了一种基于电磁和气动耦合加速机理的计算模型以及延时气化效应的评估方法,并与LES-6,LES-8/9 PPT进行模型验证和实验对比。结果表明,计算所获得的PPT脉冲烧蚀质量等宏观特性与实验数据吻合较好;脉冲烧蚀质量中仅有较少一部分（LES-6约10%,LES-8/9约28%）被离子化和电磁加速排出（约31.6km/s）,其余绝大部分则是在主放电结束后以中性气体混和物低速排出（约460～680m/s）;电磁加速对PPT元冲量的贡献是主要的（LES-6约77%,LES-8/9约86%）;增强电磁加速,尤其是减少延时气化效应对PPT效率的提高是十分必要的。     

高超声速等截面磁流体发电机性能研究

采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型,对等截面管道法拉第型分段电极磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了负载系数、磁场强度、电极-绝缘壁宽度比对发电通道性能的影响.结果表明:当负载系数为0.50时电功率密度达到最大,并且随着负载系数的增大发生器的减速能力降低;当磁场强度为8T时,500mm的管道长度即可将来流马赫数从6降低到3以下,温度保持在800K以下,并且每立方米的管道发电量能够达到兆瓦级的水平.      

均匀磁场中铁磁流体润滑的轴颈轴承

当均匀外加磁场强度从0增加到 0.12 MA/m时, 在高剪切速率下铁磁流体润滑膜的承载能力提高25%,而在低剪切速率下, 承载能力可提高 35%。所以, 从实用的观点来看, 铁磁流体润滑是为了利用外磁场来调节轴承的承载性能, 而不是为了获得高承载力。为了避免轴承承载能力受到限制, 需要将铁磁流体密封与润滑膜分离开来。分析表明均匀磁场和剪切速率对姿态角的影响甚为微小。      

基于Comsol的磁场辅助磨料水射流流场分布数值模拟

借助Comsol软件数值模拟螺线管线圈的磁场强度分布和聚焦管内流场的分布状态,分析螺线管线圈磁场强度的分布规律及辅助磁场对磨料水射流的作用机理,获得使磨料水射流达到最佳聚焦效果的磁场强度。结果表明当励磁电流I=2.2A时,磨料射流束在喷嘴出口处获得最佳聚焦效果。观察比较施加磁场辅助前后喷嘴外部流场的分布状态,并利用振动及动态信号采集分析系统测量射流实际冲击力。测量试验表明,施加磁场辅助后,磨料水射流的有效直径变小,聚焦效果显著增强,原有的薄水雾层消失,射流冲击力随电流强度的增大而增大。     

表面磁流体气动激励控制楔面激波规律数值研究

针对表面磁流体(MHD)气动激励对高超声速进气道在非设计状态下激波控制问题,从唯象学的角度出发,基于低磁雷诺数假设,将电磁作用简化为Navier-Stokes方程组中的源项处理,同时考虑到低气压、低磁场环境下电子回旋效应引起的Hall效应,并联立Ohm定律,建立磁流体动力学模型,通过与实验纹影对比验证了模型的合理性,并利用该模型研究了表面MHD加/减速激励作用位置与宽度、磁场强度、电导率和能量转化率等参数对楔面激波的影响规律。结果表明:表面MHD气动激励包括焦耳热与洛伦兹力作用,当放电功率密度为3.8×10~9k W/m~3,磁场强度为0.34T时,MHD加/减速激励分别使激波位置前移6mm与10mm;而磁场强度较低时,由于焦耳热的主导作用,将会出现激波前后压力比增大,激波强度增加等负面效应;根据激励参数的影响规律,激励器电极应靠近尖端布置,增大磁场强度,并改善等离子体源以提高气体电导率,同时适当增大激励区域宽度。     

静磁场下热电磁效应的数值模拟研究

根据电磁场理论和热电效应多物理场方程,建立了静磁场下金属材料定向凝固过程多场耦合模型。利用有限元方法对静磁场下对Pb-Bi合金材料定向凝固过程中试样尺度和枝晶尺度上的热电磁效应进行了数值模拟,并进行了定向凝固实验验证,实验结果与数值模拟结果相吻合。此外,对Fe-Ni、Pb-Bi、Cu-Sn和Zn-Cu四种合金系定向凝固过程中热电磁流动随磁场的变化进行分析。结果表明,施加静磁场会导致固液界面附近产生热电磁力和热电磁流动。随着磁场强度的增加,热电磁力逐渐增大,热电磁流动先增大后减小。对于不同合金,静磁场对热电磁流动的影响不同,达到最大热电磁流动所需施加的磁场强度也不同。     

电磁波在磁化等离子体中传输机理研究

通过联立电磁波波动方程与磁化等离子体中电子的运动方程,得到了电磁波传播的色散方程,求解色散方程得到了磁化等离子体对电磁波的折射率及逆韧致吸收系数。可以得出,随着外加磁场的增强,等离子体截止波长明显变短,导致低频电磁场无法穿过等离子体。对于1μm左右波长的电磁波,等离子体的折射率和逆韧致吸收系数几乎不随外加磁场强度的变化而变化。对于10μm左右波长的电磁波,等离子体的折射率随外加磁场强度的增强而减小,而逆韧致吸收系数随外加磁场强度的增强而增大。理论分析和数值结果阐明了电磁波在磁化等离子体中的传输机理,对研究激光复合焊接中磁场和等离子体对激光传播的影响具有指导意义。     

脉冲等离子体推力器烧蚀建模与仿真

为了深入地揭示平板型脉冲等离子体推力器（PPT）工作机理,通过对PPT在放电过程中的欧姆加热能量分配分析,建立了基于能量守恒原理的改进烧蚀模型,并对磁流体动力学方程中的能量方程进行了修正。结合LES-6对PPT工作过程进行了一维磁流体动力学数值仿真,获得了PPT的速度分布、放电烧蚀质量和元冲量等参数的变化过程。仿真结果表明,改进模型能正确地反映脉冲等离子体推力器工作过程,仿真得到的出口速度、元冲量与实验值吻合较好,而放电烧蚀质量则相对误差较大;当电容容量变化时,元冲量随放电能量增大呈近似的线性增长关系,放电烧蚀质量随放电能量的增大单调增加且呈非线性关系。     

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.