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%。     

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。     

离子推力器放电腔内等离子体流动规律的全粒子模型

为了详细描述等离子体在放电腔内的产生、演化过程,建立了放电腔内部等离子体流动的二维轴对称全粒子数值模型。在考虑壁面二次电子发射影响的前提下,模拟得到了稳态后放电腔内电磁场、电子与离子数密度,电流密度等一系列参数分布,且与相关实验数据进行了比较,吻合较好。模型得到了实验中难以观测到的放电腔内等离子体的产生、演化过程以及稳态下的分布规律,合理解释了放电腔工作的基本原理。     

径向压力和温度分布对螺旋波等离子体波场和能量吸收影响研究

为了揭示螺旋波等离子体推力器中的等离子体源功率耦合机理,针对气体工质电离后被射频加热的稳态过程,考虑等离子体密度非均匀分布条件,采用三参数压力函数(fa,sp,tp)和温度函数(f_a,s_t,t_t)表示柱状等离子体内压力和温度的径向分布,分析了径向压力梯度、温度梯度对螺旋波等离子体内功率沉积、波电场、波磁场和电流密度的影响。考虑梯度为正,梯度为负和梯度为零三种梯度类型。结果发现:压力梯度为正时,螺旋波在等离子体临近壁面处的功率沉积减弱,但射频波透入深度增加,原因是靠近管壁处等离子体密度较低,RF波径向单位长度衰减较少,透入深度增加。温度梯度为负时,柱状等离子体中心处能量沉积变强,原因是管中心位置等离子体密度较大,电子温度较高,与RF波能量耦合增强;横向截面的电磁场、电流密度分布在不同压力和温度梯度下基本不变,证明了m=1模式的稳定性。     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

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。     

灯丝放电磁场约束型原子氧效应地面模拟试验设备

介绍了用于原子氧剥蚀效应研究的灯丝放电磁场约束型地面模拟设备 ( IFM)的构成及工作原理,简单阐述了装置的运行测量结果,分析了等离子体参数随试验条件的变化趋势。并用 IFM设备对 Kapton空间用材料进行了地面模拟试验,试验结果与国外空间飞行暴露试验结果相似     

固体火箭发动机排气羽流对微波衰减的计算方法

研究了弱电离的羽流等离子体对平面正弦微波的衰减机理,应用羽流等离子体电磁场标准Maxwell方程,结合颗粒相产物充放电的Shukla方程,给出有效用于微波衰减的预估方法;编制了(Radio fre-quency attenuation calculation,简称RFAC)羽流场微波衰减计算软件;分析了羽流场各特性参数对复电导率及微波衰减常数的影响规律,并结合ThermoCalc推进剂热力学评估系统计算了两种不同推进剂配方下,喷管出口羽流场对微波制导信号的衰减,计算结果与文献中的实验结果符合较好.      

同轴形微波等离子推力器数值计算

介绍了100W功率同轴形微波等离子推力器(MPT)的系统结构、谐振模式,采用耦合求解Maxwell方程、Saha方程和Navier-Stokes方程的方法,对100W同轴形MPT振腔内的电磁场、等离子体与流场间的耦合问题进行了数值计算并预估了原理实验样机的性能。计算结果表明,100W同轴形MPT结构系统的原理可行,性能较好,有较好的发展前景。      

考虑磁滞效应的电抗器二维电磁场计算

将JA模型与电磁场数值分析方法相结合,在考虑铁心的磁滞效应的情况下,推导出电磁场的有限元计算模型。分别采用基本磁化曲线和磁滞回线两种不同的方法对电抗器的电磁场进行仿真计算。研究结果表明磁滞现象对电抗器电磁场的计算影响较大,因此考虑磁滞效应的电磁场数值计算模型,为进一步研究电抗器的发热问题奠定了理论基础。     

圆柱谐振腔微波等离子推力器的理论计算

采用耦合求解Maxwell方程、Navier Stokes方程和Saha方程的方法,完成了圆柱谐振腔微波等离子推力器(MPT)的理论计算研究。研究结果表明,MPT稳态高效工作的前提是耦合进入谐振腔内的微波功率与工质气体流量(或腔内压强)应合理匹配,并通过1kWMPT的地面与真空实验,初步验证了理论研究结果。理论与实验研究表明,圆柱形MPT原理可行,研制出的样机实验系统启动可靠、工作稳定。     

微波等离子推进器性能预示的工程算法

对微波等离子推进器提出一种快速性能预估的工程算法。假设谐振腔内的工质参数均匀、气体与微波之间的能量耦合良好、喷管内流动为一维管流,利用等离子体的等温模型可以快速地对微波等离子推进器性能进行估算。采用可变节点划分方法处理喷管流场,避免了喉部奇点。计算给出一系列不同输入微波功率、工质流量及放电管内压强条件下合理的发动机性能参数。     

旋转固体火箭发动机喷管热结构分析

以某固体火箭发动机喷管为例,研究其旋转情况下的流动、传热及热结构响应性能。利用雷诺应力湍流模型,结合增强型壁面函数,求解N-S方程。以喷管内壁面温度分布为边界条件,求解二维轴对称瞬态热传导方程。将瞬态温度场按时间步长加载,进行瞬态静力学分析,得到不同转速下的流场、温度场及应力场。结果表明,喷管在旋转情况下,喷管内壁面尤其是喉部及扩张段温度分布在转速为100 r/min及600 r/min左右时变化剧烈;旋转内流场与喷管结构的耦合作用加剧了喷管的传热,尤其是喉衬的烧蚀,特征点温度值随转速增大而升高;最大热应力位于喷管最外层尾端,整体热应力在转速低于100 r/min时得到释放,随着转速的不断增大,喷管整体最大热应力及扩张段特征点应力随之增大,而喉衬特征点由于旋转导致了温度梯度降低,其应力值随之减小。     

复合喷管热结构耦合计算的一种新的策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种新的策略。利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面间高温碳化带来的结构边界非线性因素。计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高温下界面间结构功能退化问题对于变形特征以及应力场影响很显著。     

复合喷管热结构耦合计算的一种策略

基于流固耦合完成复合喷管流动换热、传热过程温度场的数值模拟,编写了计算流体动力学(CFD)与有限单元法(FEM)的接口程序,快速实现温度载荷和机械载荷数据的传递,提出了复合喷管热结构耦合计算一种策略.利用直接约束法考虑了复合喷管部件界面问高温碳化带来的边界非线性因素.计算结果表明耦合方法得到的复合喷管温度场是合理的,高...     

大气压条件下高焓空气等离子体流场特性及应用

评估和鉴定高超声速飞行器防热材料使用性能,需要在能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。详细介绍了一种能够运行在大气压条件下的电感耦合等离子体设备,该设备能够产生多种气体（空气、氮气、二氧化碳、氩气）的等离子体射流,运行功率范围为27~85.5 kW,最大运行效率可达77.9%。通过对30 mm的亚声速喷管出口8 mm处空气等离子体流场参数高精度重构和发射光谱测试研究,获得了气体温度和光谱发射强度沿径向的分布,等离子体的焓值范围为8.54~22.2 MJ/kg,驻点热流最高可达721 W/cm²。选定2个试验状态对典型防热材料C/SiC进行烧蚀氧化考核试验,并通过与国内外同类设备比较,表明该大气压感应耦合等离子体设备达到国际先进水平,完全具备开展高超声速飞行器防热材料性能改进地面模拟试验的能力。     

磁控等离子体对尾喷管壁传热特性的影响

根据磁场作用下等离子体的湍流和传热能力将受到抑制的现象, 提出利用磁场控制低温等离子体隔离高温燃气与喷管壁的方法, 以减少高温燃气对壁面的传热, 从而达到降低壁面温度的目的.分别建立诱导磁场方程求解洛伦兹力和磁场作用下的k-ε湍流模型求解湍流粘度, 数值模拟了不同强度磁场作用下的磁控等离子体流动和传热特性.结果表明, 磁场能够有效地抑制湍流强度, 降低传热能力, 从而有效地降低壁面温度;并且磁场越强, 效果越明显.      

矩形射流矢量喷管数值模拟研究

根据流场特性设计了1个矩形射流矢量喷管。提出了在喷管内加入射流,促使喷管主流速度增高、和形成出口矢量角的设想;采用FLUENT流体计算软件,对射流矢量喷管内的二维内流场进行了模拟,分析了喷管出口位置对射流矢量喷管内流场、推力、出口气流方向和总压损失等气动参数的影响,并分析了其在不对称射流情况下,对喷管射流位置与气流方向、推力和总压损失等气动参数的影响,确定了第2道射流的位置。     

轴对称喷管内外流场与结构温度场耦合计算

利用有限体积的对流项二次迎风插值格式和重整化群(RNG)k-ε湍流模型,二层增强型壁面函数,同时利用球形谐波法考虑热辐射的影响,以灰气体加权模型(WSGGM)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程。采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交换数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析。采用此计算模型对静止的轴对称收-扩喷管进行了数值模拟,计算得到的喷管壁温与试验数据吻合良好。在此基础上,进一步开展了巡航状态下轴对称收-扩喷管内外流场与结构温度场的耦合数值研究。