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.      

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.     

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.     

背景压强对电推进羽流场影响的数值模拟

真空舱内背景压强是电推力器地面试验过程中影响工作性能评估和羽流场参数诊断的重要参数。针对LIPS-200型离子推力器羽流场参数的数值仿真中采用的背景压强建立方法进行了仿真分析。仿真中采用混合粒子网格(PIC)方法和直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法处理羽流场中等离子体运动和粒子间碰撞,分别采用虚拟粒子和计算粒子建立压强的方式,对电推进羽流场进行了数值模拟,并与绝对真空环境进行对比分析。结果表明:背景压强的存在导致中性粒子和电荷交换离子数密度较绝对真空环境高1个量级以上。虚拟粒子可大幅提高计算效率,获得的流场中电荷交换离子分布与计算粒子结果相近,但中性粒子分布相差较大,虚拟粒子无法表征壁面及真空泵的影响。      

可变桨距冲压空气涡轮混合型流场数值研究

冲压空气涡轮流场数值研究主要目的是模拟在实际高空加油工作状态下涡轮变桨距气动特性.数值风洞实验采用代数Baldwin-Lomax湍流模型,雷诺平均Navier-Stokes方程,模拟可变桨距冲压空气涡轮全三维混合型流场,并分析其流场主要气动特性,探讨桨叶载荷分布原因,然后将数值模拟结果与风洞实验数据进行了比较.改进桨叶近轮毂区域气动性能可进一步提高冲压涡轮载荷.      

Taylor-Couette流的DSMC数值模拟

使用圆柱坐标系网格的三维DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)模型,对同轴圆柱间Taylor-Couette流中Taylor涡的形成进行了数值模拟,并分析了不同计算域和边界条件下稳定流场中Taylor涡的轴向排列结构.在网格设置和流场参数不变的情况下,使用轴对称DSMC模型对Taylor涡进行数值模拟,所得Taylor涡的稳定过程与三维结果一致,验证了使用三维DSMC方法来解决微尺度低速的稀薄气流问题的可行性.三维模拟结果表明Taylor涡以较大的圆周速度绕轴旋转,二维模拟则无法体现.对不同的内圆柱旋转速度进行数值模拟,确定了能够产生Taylor涡的临界速度值.     

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.      

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。      

卫星姿控发动机高空羽流场工程分析

发展卫星姿控小推力发动机高空羽流场的工程估算方法,计算分析其主要燃气组分的分布特征.采用网格技术将发动机喷管出口截面剖分形成多独立点源,建立了非均匀出口流动条件下的分析模型.与自由分子单一点源模型相比,该模型的计算结果更接近实验值.对MBB 10 N双组元发动机多组分羽流场的研究表明,压强场和内能场的变化较剧烈;不同于轻分子组分,重分子组分主要集中于轴线附近,其密度场呈较强方向性.      

DSMC方法的边界采样与统计技术

研究了适合在三维直接模拟蒙特卡罗(DSMC,Direct Simulation Monte Carlo)方法计算中根据入口边界条件合理地布置进入计算区域内粒子参数的边界采样技术.提出了一种根据穿越入口边界、出口边界以及撞击壁面边界的粒子统计数据获取边界位置处宏观流场参数的新型边界统计技术,弥补了DSMC计算中传统统计技术仅能够获取流场内部参数,不能够获取界面处流场参数的不足.这种界面统计技术具有普遍的适用性,不仅限于DSMC方法.以无穷远来流圆球绕流为例进行计算,验证了DSMC方法的边界采样与统计技术的有效性.     

应用于DSMC方法的二维Voronoi网格技术

研究了Voronoi网格技术并将其应用于直接模拟蒙特卡洛DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)计算.基于Dirichlet镶嵌与Voronoi图理论,Voronoi网格利用特征点表征网格单元,具有建立粒子与网格单元之间映射关系的独特算法,适合于DSMC方法的统计特点.在剔除过于靠近边界的特征点以及必要情况下边界细化的基础上,通过区分由边界节点表征的非完整Voronoi网格单元以及由计算区域内镶嵌点表征的完整Voronoi网格单元,解决了Voronoi网格的二维边界匹配问题.Voronoi网格技术支持自适应DSMC计算.映射效率对比表明,Voronoi网格的DSMC计算效率高于三角形网格,低于多级直角网格.通过MEMS微喷管流动数值模拟,验证了Voronoi网格技术在DSMC方法中的有效性.      

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.      

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30 cm离子推力器的热辐射影响,采用有限元分析的方法,首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟,在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后,进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响.仿真结果显示,推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述,羽流在真空舱内...     

立方体式考夫曼离子推力器极靴结构设计

考夫曼离子推力器因具有高比冲、高效率、长寿命等特点,是应用于航天器电推进类型之一。过去研究主要集中在轴对称柱状结构考夫曼离子推力器,然而对于未来模块化立方体卫星,立方体构型推力器非常适合多推力器的组合、多推力器羽流集中中和,结构紧密并且减少航天器附件。为此,基于自主设计的立方体式考夫曼离子推力器,采用三维数值仿真方法对推力器放电室进行了计算分析,获取了不同阴极极靴内径下推力器放电室磁场分布,对比研究了不同极靴构型下放电室电子密度分布和电子温度分布。结果发现,增大阴极极靴内径使得磁场分布均匀性变差,放电室内壁电子温度升高,电子损耗增大,放电室出口离子密度降低。因此,对于本立方体考夫曼离子推力器,长宽高为15mm×12.5mm×15mm的阴极极靴构型最佳,既可保持较低的壁面电子温度,又有利推力器出口的离子均匀性。