脉冲等离子体推力器推进剂烧蚀传热计算

运用磁流体动力学的方法,建立脉冲等离子体推力器工作过程模型,展开三维仿真研究,对推进剂的烧蚀传热过程进行分析。通过该模型计算得到的推进剂烧蚀质量和元冲量能够反映出实验结果的大体趋势,同时针对不同电容以及两种不同推力室构型的情况进行了评估。结果显示,推进剂的温度变化波形反映着放电波形的变化波形,影响着推力室等离子体的流动,良好的推进剂表面温度分布更有助于推进剂的喷射过程。     

超声速钝体空气和钾元素混合物喷流流场的数值研究

利用数值求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,对有自由来流情况下喷流介质为空气和钾元素混合物的超声速钝体喷流流场进行数值模拟,分析喷流总温对模型周围电子密度分布的影响和喷流对模型气动力分布的影响,探讨利用喷流达到飞行器等离子体隐身方法的可行性。研究结果表明:在喷流总温T0j=2000K-3000K和喷流介质钾元素的质量分数为0.02和0.05的情况下,在模型周围可形成峰值电子数密度Ne=1011~5×1014/cm3的等离子体层,而且模型的阻力可降低35%。     

内送粉超声速等离子喷涂流场特性分析

应用流体控制方程、传热传质方程、粒子输运方程、Maxwell电磁场方程建立多场耦合数学模型,通过数值计算方法研究超声速等离子喷枪内外等离子体流动特性。所采用的内送粉三维模型包含阴、阳电极固体以及阳极边界层区域,考虑了等离子气体的电离与复合反应,以及局域热平衡效应,得到了超声速等离子喷涂在纯氩和氩氢混合气氛中的气流温度场、速度场分布以及电弧电压分布。结果表明:在加入氢之后,喷枪内等离子体温度提高了30%,速度提高了67%;喷枪外气流速度和温度在距喷嘴出口0~50mm间梯度变化大于喷涂距离50~100mm,且径向速度和温度梯度变化随着喷涂距离增大越来越小。计算得到的电弧电压与测量值相差4.4%,说明了考虑阳极边界层后计算模型的合理性。     

基于等离子体激励的飞翼布局飞行器气动力矩控制

以飞翼布局飞行器所面临的飞行控制问题为背景,采用气动力测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,在来流风速为8.2 m/s时,研究了介质阻挡放电等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的作用.研究结果表明:在飞行器不同位置布置不同的激励器,可以实现对飞行器滚转、偏航及俯仰力矩的控制;改变激励电压,实现了对气动力矩的比例控制;通过与常规舵面的舵效进行比较,采用等离子体激励器获得的气动力矩控制,可以达到常规舵面一定偏转角度的控制效果.流场测量结果表明:等离子体激励器对飞翼布局飞行器气动力矩的控制,主要是通过控制流动分离和前缘涡破碎点位置的变化来实现的.因此,可以考虑应用等离子体流动控制技术来增强传统的舵面控制,并在提高控制效率的基础上,使其成为一种新型的飞行控制方式.     

高超声速钝锥体等离子体流场数值模拟

以小钝锥体为对象建立二维几何模型,利用COMSOL Multiphysics软件对等离子体流场控制方程组进行求解,对高超声速气流流过模型所产生的等离子体流场进行数值模拟.仿真得到了在模型头部激波、尾部膨胀波和尾后激波的共同作用下,考虑烧蚀反应时流场的速度、温度、压强和等离子体电子数密度分布,重点分析了钝锥体模型等离子体包覆层和尾后电子分布的特征和成因.可以为高超声速飞行器的探测和控制提供重要的借鉴和参考.     

双极性等离子体激励器圆柱绕流控制实验研究

在低速风洞中利用多级双极性等离子体激励器控制圆柱绕流的流动分离。实验风速U∞=10m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=2.8×10^4,在实验中将两组三级双极性等离子体激励器布置在圆柱模型肩部,利用粒子图像测速技术测量圆柱的尾流场。实验结果表明,采用定常和非定常激励均能抑制圆柱尾迹区,等离子体激励强度是影响激励器对圆柱绕流控制能力的重要因素;非定常脉冲激励耗电少,对流动控制能力强,效率明显高于定常激励,脉冲激励频率影响等离子体激励器对流动的控制能力。在实验风速为10m/s时,脉冲激励频率与圆柱涡脱落频率一致,流动控制效果较好。     

微波在薄层等离子体中传输效应研究

为了准确预测再入飞行过程中等离子体对微波传输特性的影响,采用WKB方法、FDTD方法、平面波理论和薄层等离子体理论4种方法,结合粉末激波管上开展的试验研究了X波段和Ka波段微波在薄层等离子体中的传输效应。对于X波段,试验时激波马赫数为9.6、10.7和10.5;对于Ka波段,试验时激波马赫数为10.5。通过对比与分析获得的主要结论有：当等离子体厚度和入射波波长相近时,薄层等离子体理论计算结果比其它三种方法的计算结果更接近于试验结果;在碰撞频率接近并且电子密度小于临界电子密度的条件下,Ka波段微波信号穿过相同厚度的等离子体比X波段微波信号衰减小得多,具有更强的穿透性;如果等离子体碰撞频率和微波入射频率相同,随着电子密度的增加,微波信号穿过相同厚度的等离子体时衰减变大;当碰撞频率和入射波频率差不多时,共振吸收导致衰减达到最大值。     

PIV测定介质阻挡放电等离子体诱导的体积力

通过提高PIV测量速度场的空间分辨率,得到了精细的等离子体诱导速度场,给出了物面附近等离子体诱导流场的速度型,通过微分形式的N-S方程和积分形式的动量方程分别求解了介质阻挡放电诱导的等离子体体积力,得到了体积力的空间分布,分析了载波频率对等离子体诱导体积力的影响规律。计算结果表明：对于所采用的电极布置方式,等离子体激励器的诱导流场沿射流方向的体积力强于垂直射流方向的体积力;峰峰电压为12kV时,在10～45kHz的载波频率范围内,随着载波频率的升高,体积力呈先增大后减小的趋势。     

高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响

高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性,进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设,通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程,开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟,分析气体模型对磁流体控制的影响,研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明：化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著,采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间,平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律,与非平衡气体模型模拟结果差异很大;热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响,与焦耳热振动能量作用比率紧密相关,随该配比增大,磁场增阻效果由67%降到约12%;高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果,会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果,要准确数值模拟高超声速磁流体控制,必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应,同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。     

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。