电弧加热发动机羽流电子温度及电子数密度的双静电探针测量

研制了一套双静电探针测量系统,对以氩气为推进剂的1kW级电弧加热发动机羽流进行了测量,得到了电子温度和电子数密度的轴向和径向分布,以及随弧电流、气流量的变化趋势。结果表明,羽流显著偏离局域热力学平衡状态,电子温度呈现复杂的分布和变化趋势。羽流轴线上的电子温度明显低于偏离轴线处的值,而电子数密度远高于偏离轴线处的值;羽流轴线上的电子温度随弧电流的增加而降低,电子数密度随弧电流的增加而增加;羽流中心区电子温度随气流量的变化趋势不明显。     

稳态等离子体推力器羽流仿真及其对微波的衰减和相移作用

为了评估稳态等离子体推力器（SPT）羽流对微波造成的衰减和相位变化,使用二维轴对称的PIC-DSMC方法,在空间及室压6mPa的真空舱两种环境下,计算了SPT-100羽流场中的电子分布。在此基础上,通过分析特征频率和计算衰减因子、相位常数,估算了2,4,8,12.5GHz共4个频率微波穿过羽流场时的衰减量和相移。8GHz和12.5GHz微波未发现明显的衰减,相移为10°～120°。2GHz和4GHz微波在喷口附近衰减量范围为10～50dB。仿真结果表明,C波段和S波段在SPT羽流中容易发生衰减,而X波段以上的高频微波衰减量很小,同时这几个波段微波均发生较大相移。真空舱内6mPa背压下对衰减量的预测仅略高于实际飞行情况,但微波相移会有较大误差。     

多机并联火箭羽流流场及其底部热环境分析

For the problem that the plume flow field structure of a multi engine parallel rocket is complicated and the bottom thermal environment is extremely harsh, which may cause the failure of the engine structural components, the plume flow field and thermal environment at different altitudes are studied through numerical simulation. The result is compared with the measured results in flight which shows that when the rocket is flying at a low altitude, the plume of the engines do not interfere with each other. As the flight altitude increases, the plumes gradually expand and begin to interfere with each other, and finally there is an obvious backflow at the bottom of the rocket. The maximum heat flux at the moment of take off is basically the same as the measured value in flight. Before the backflow occurs, the heat flux mainly consists of radiant heat, the convective heat flow increases as the flight altitude grows, but it is also much smaller than the peak heat flow at takeoff. The result has certain guiding significance for the optimal design of engine structure thermal protection.     

脉冲等离子体推力器羽流预测计算研究

为了能够将脉冲等离子体推力器成功地运用于空间,需对其羽流进行研究。将一维MHD双温放电模型的计算结果作为入口条件,运用DSMC(Direct Simulation Monte-Carlo)/PIC(Particle in Cell)流体混合算法一体化模拟实验室PPT羽流。验证计算显示该模型具有一体化模拟脉冲等离子体推力器羽流的能力。对不同初始放电能量下的羽流场进行模拟,给出了离子、中性粒子、电子温度、轴线上质量流率和出口平面返流质量流率的变化情况。计算结果显示高放电能量下返流量更大,同时中性粒子在返流中所占比例也越大。     

大密度变化非连续介质气体流场的数值仿真

针对大密度变化非连续介质气体流场的仿真难题，实现了分区可变时间步长方法，为了保证宏观物理量通量在界面上连续，针对穿过两个时间步长不相等的区之间的界面的分子执行剩余时间缩放处理。提出了一种高效的分区界面和壁面处理算法，将每个界面设定为只属于一个区，将跨过多个区的壁面分解成分别只属于一个区的多个壁面，并规定仿真分子只能与本区的界面和壁面相互作用。对喷管流场的模拟表明，此方法可以大大提高计算效率。     

电推进羽流粒子束溅射的蒙特卡罗模拟

为了研究电推进羽流对推力器及航天器造成的溅射腐蚀作用,采用蒙特卡罗方法对羽流等离子体对材料的溅射进行模拟,研究了溅射的级联碰撞机理,并开展了Xe离子正入射、斜入射Cu材料的溅射率、溅射产物的能量分布以及空间角分布的研究。结果显示,蒙特卡罗方法对溅射率和能量分布的计算结果与试验结果吻合较好,误差<30%,但是斜入射溅射率和方向分布吻合较差,最大误差>50%。认为影响溅射的主要因素为晶体的结构、二体碰撞的基本假设以及入射粒子的注入累积效应。     

用FVM法计算固体火箭羽流的红外特性

建立了有限体积法(FVM)的理论模型模拟固体火箭羽流的红外特性,研究了燃气组分H2O,CO2,CO,HCL,OH,NO的吸收和发射,以及AL2O3粒子云的吸收、发射和散射,还研究了两相流场中气相和粒子云温度不均匀时对辐射传输方程的修正。计算一单喷管固体火箭的二维轴对称羽流在光谱2~5μm的红外特性,给出羽流辐射的空间分布和光谱分布并与文献计算的结果对比。研究表明:有限体积法能较好地模拟固体火箭羽流的红外特性;粒子辐射占固体火箭羽流红外辐射的主要部分;在光谱2~4μm粒子辐射使羽流辐射增强,而在光谱4~5μm粒子辐射使羽流辐射减弱。     

喷管流场和羽流场的N－S数值模拟

利用时间推进的方法，通过求解可压缩的、雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程，并利用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数滴流模型和Ｐｒａｎｄｔｌ混合长度模型，数值模拟了飞机和火箭发动机喷管的内流和羽流，获得了喷管内流场和羽流场的参数分布，计算结果与试验结果及国外研究成果一致。网格划分采和了自适应网格技术。     

发射光谱测量电弧加热发动机羽流温度

为了研究玻耳兹曼图法和谱线绝对强度法对测量结果的影响，讨论了电弧加热发动机羽流的光谱诊断方法，并建立了一套光谱诊断系统。以氩气为工质，利用此系统在真空室中进行了光谱诊断．分别用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到了羽流的温度，这两种方法测得的结果有20％～30％的偏差。实验中氩气流量为42．1mg／s，功率约为200W。试验结果表明，在试验工况下，由于羽流处在热力学非平衡态，采用玻耳兹曼图法和谱线的绝对强度法得到的结果是不同的，应该根据具体的工况选择测量方法。