三维多组分羽流及其效应的数值模拟

考虑到实际卫星总体布局特点及姿控发动机燃气喷流为多组分的特点,采用差分求解N-S(Navier-Stokes)方程耦合DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法建立三维多组分羽流场的数值模拟模型,对5 N无水肼单组元姿控发动机喷管产生的燃气羽流场及其效应进行数值模拟,计算得出羽流场的物理参数分布、化学组分分布,得到了羽流对太阳能帆板的羽流气动力和气动热效应.计算结果表明对于太阳能帆板的羽流效应防护应以N2,NH3为主,姿控发动机羽流会对太阳能帆板撞击产生气动力和气动热的影响,在太阳能帆板前沿中点处,存在气动压强峰值和气动热流峰值.计算结果为研究羽流效应提供了参考依据.     

稳态等离子体推进器羽流场数值模拟

采用二维轴对称模型,使用粒子网格法(PIC)和直接模拟蒙特卡洛法(DSMC)相结合的方法,对稳态等离子体推进器(SPT)羽流场进行了数值模拟.采用DSMC方法中的随机取样频率法(RSF)求解粒子碰撞过程,并对比了不同的分配电荷方式、电子运动模型及SPT出口条件时的羽流场.将不同条件计算得到的羽流场中距SPT出口0.1?m,0.5?m及1.0?m处的离子电流密度和电荷密度与实验结果进行了对比,得出在采用面积权重法分配电荷、等熵模型描述电子运动和用实验值设定发动机出口参数时对SPT羽流场数值模拟的电流密度和轴向附近的电荷密度结果与实验结果符合程度较好的结论.     

轴对称羽流流场数值模拟和实验验证

针对在轨航天器羽流效应对航天器整体寿命的影响,在"DFH"系列卫星姿控发动机喷管羽流实验研究的基础上,建立喷管的轴对称模型,选取矩形计算区域,设定一定的边界条件和计算条件,采用轴对称单组分直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法对相应实验状态的羽流流场进行数值模拟研究.通过对比数值模拟结果和实验测量结果,表明DSMC数值模拟羽流流场的计算结果符合实际流动规律,实验验证了所编制的轴对称DSMC数值模拟程序的正确性和有效性.      

发动机燃气喷流红外辐射场的数值模拟

在高温流动中热辐射与流场是耦合的,但在发动机燃气喷流流场的温度范围内可以在流场计算中忽略热辐射的影响,于是流场与辐射场的模型方程可解耦.为此提出了模拟飞行器绕流流场红外辐射的解耦模型以及相应的算法.该算法首先采用总变差减小TVD(Total Variation Diminishing)格式对流场进行模拟,再引入有限体积概念,应用所取得的流场参数,在同一组网格上计算流场中的红外辐射特征.以轴对称喷管内N₂,O₂,CO₂,H₂O,CO,HCl,H₂等7组分高度欠膨胀冻结流与均匀绕流干扰流场为算例进行了验证性的模拟计算,并与已有试验和计算数据进行了对比,表明该算法是可靠的,可在较大幅度地降低计算量的情况下给出满足工程需要的结果.     

低功率氮氢电弧加热发动机非平衡数值模拟

文章对低功率氮氢电弧加热发动机进行了双温度化学非平衡数值模拟研究,模型中包含总的能量方程和电子能量方程,等离子体组分包括分子、原子、离子和电子等7个组分,采用的化学动力学模型中包含了氮氢组分解离、电离等重要的动力学过程,气体的物性根据当地的组分和温度实时计算。通过计算获得了发动机内部气体温度及各组分数密度分布。结果表明,发动机轴线附近等离子体接近热力学平衡,而在发动机阳极壁面电弧贴附区域等离子体明显偏离热力学平衡;计算获得的组分分布表明电弧加热发动机内存在反混合过程,即发动机内各组分分布与入口浓度分布明显不同。氢组分由发动机中心到阳极壁面沿径向呈现先减小后增大的趋势;而氮组分的浓度分布趋势与氢组分相反;进一步的分析表明,发动机内各组分的扩散主要受到气体解离和电离过程引起的浓度梯度所驱动。     

离子发动机羽流二维轴对称数值模型与验证

为了解离子发动机羽流特别是交换电荷离子(CEX,Charge-Exchange)的分布和流动特性,建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格(PCI,Particle in Cell)方法对2种型号的离子发动机羽流场进行数值模拟计算,与其地面实验数据进行对比分析.结果表明:在CEX离子密度大小及分布、电势的大小及最大电势梯度的位置、CEX离子流动角方面,模拟结果同实验结果符合得相当好.在电势结构方面,由于舱壁电势的影响,模拟结果同实验结果相比有一些差别.羽流模型和计算结果为相关羽流实验和数值模拟研究提供参考.      

小推力发动机高空羽流场数值模拟

以小推力发动机的高空羽流场为研究对象，完成了氮气流的DSMC方法数值模拟研究，对计算的可靠性进行了实验对比验证，分析了高空羽流场特性及高空稀薄流动的非平衡效应。结果表明，用DSMC方法与加密网格技术结合可有效模拟高空羽流场，且必须计及气体非平衡效应。皮托压力的数值结果与实验符合得很好。     

氢氧发动机推力室化学反应流场计算

采用弱耦合点隐式方法的MacCormack格式对氢氧火箭发动机推力室化学反应粘性流场进行数值模拟.数值模拟时采用6种组分、8个反应有限速率的化学反应模型,湍流模型采用Baldwin-Lomax代数湍流模型.数值模拟得到了流场参数在燃烧室和喷管中的分布.结果分析表明,得到的数值模拟结果与理论分析一致,说明结果是可靠的.本文的工作为氢氧火箭发动机喷管设计提供了依据,并为进一步开展火箭发动机推力室有化学反应的两相流动的数值模拟打下了基础.     

真空羽流污染的数值模拟

姿控发动机真空环境下工作产生的喷流对航天器造成的污染非常严重.根据污染的性质,羽流污染又分为机械污染、热污染、沉积污染和化学污染.用直接模拟的蒙特卡罗(DSMC)法数值求解真空羽流场,在此基础上计算热污染和沉积污染,将对空间飞行器的设计和科学实验有参考价值.      

喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。      

离子推力器羽流热效应仿真分析

离子推力器工作时向外喷出的羽流与航天器表面碰撞,会引起敏感材料热变形等热效应,严重时会导致航天任务失败。针对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200型离子推力器羽流热效应进行了仿真分析。仿真中,使用粒子网格（PIC）方法处理等离子体运动,使用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法处理粒子间碰撞,使用Maxwell模型处理粒子与壁面的能量交换,对电推进羽流热效应测量中的部分测点进行了数值模拟。结果表明,仿真结果与实验数据符合较好,离子推力器出口轴线上滞止热流仿真值与实验测量值误差小于17.0%。此外,热流计对流场的影响主要集中在热流计附近0.1 m范围内,对整体流场影响较小。      

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

霍尔推力器羽流对S波段电磁波的衰减研究

霍尔推力器羽流对S波段电磁波信号有衰减作用,这对星上推力器与天线的布置策略有重要影响。为研究S波段电磁波的衰减程度,建立几何光路算法,对电磁波在等离子体羽流媒质中的传输衰减进行数值描述,并以试验所测的信噪比数据来验证算法精度。验证试验采用空间透射波法,在相同工况的试验与计算结果对比中,最大计算误差为26.1%,平均误差为7.3%;在趋势上,试验结果与计算结果保持一致。在此基础上,针对84个在轨典型工况进行S波段电磁波信噪比衰减计算,结果显示：羽流对电磁波的吸收作用是影响衰减的主要因素,衰减最大区域出现在天线位置0.3～0.6m、方向角15°～30°的区域,衰减值在-7~-4dB之间。该结果可为霍尔推力器与天线在卫星的布置提供参考依据。     

低功率氮氢混合物电弧加热发动机模拟研究

对低功率电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟研究,分别采用氮氢混合物模拟氨和肼作推进剂,计算获得了不同入口总压和弧电流的多种工况条件下发动机内温度和速度分布.结果表明,随着弧电流的增加,发动机出口处的温度、速度和比冲也随之增加;随着入口总压的增加,工作气体流量增加,发动机喷管出口处轴向速度增加.对NASA 1 k W级电弧加热发动机采用氮氢模拟肼作推进剂进行了数值模拟,模拟结果与文献报道的实验结果大体相符.     

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射影响规律

霍尔推力器羽流对太阳翼的溅射作用是影响翼板工作性能、卫星供能稳定性的重要因素。为深入研究霍尔推力器羽流在不同布置工况下对太阳翼的溅射影响规律,采用单元粒子/直接蒙特卡洛碰撞模型（PIC/DSMC）求解羽流等离子体的输运过程,其中对离子的扩散作用采用基于菲克定律的求解模型,并以Yamamura溅射模型来求解等离子体对太阳翼表面的溅射产额。为验证修正扩散模型后的算法精度,在真空舱内开展羽流诊断试验,以试验与计算结果的对比来修正扩散经验参数以及验证计算精度。试验结果表明,在扩散系数kd=126×10-36N·m4时,该模型计算误差在87%左右。在此基础上,对不同的推力器方位角、推力器与翼板距离工况,开展羽流对太阳翼的溅射产额计算。计算结果给出太阳翼表面溅射分布随方位角、距离增加的依变规律,并进行了相关透光率影响程度的讨论,可对推力器的星上布置提供参考依据。