›› 2016, Vol. 36 ›› Issue (3): 15-23.doi: 10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0035

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低功率氮氢电弧加热发动机非平衡数值模拟

 魏延明1,3, 何青松2, 王海兴2,*   

  1. 1北京控制工程研究所,北京100190
    2北京航空航天大学宇航学院,北京100191
    3哈尔滨工业大学,哈尔滨150001
  • 收稿日期:2015-12-06 修回日期:2016-04-02 出版日期:2016-06-25 发布日期:2016-05-11
  • 作者简介:魏延明(1965—),男,研究员,wei5025@sohu.com,主要研究方向为空间推进 *王海兴(1969—),男,教授,whx@buaa.edu.cn,主要研究方向为空间电推进
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(11575019,11275021);民用航天项目(混合模式推进系统优化技术)

Non-equilibriumnumericalsimulationofalowpowernitrogen/hydrogenarcjet

 WEI  Yan-Ming1,3, HE  Qing-Song2, WANG  Hai-Xing2,*   

  1. 1BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190,China
    2SchoolofAstronautics,BeihangUniversity,Beijing100191,China
    3HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China
  • Received:2015-12-06 Revised:2016-04-02 Online:2016-06-25 Published:2016-05-11

摘要: 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。

关键词: 氮氢电弧加热发动机, 非平衡, 数值模拟, 化学动力学, 电推进

Abstract: Thermalandchemicalnonequilibriummodelingsstudywereperformedonalowpowernitrogen/hydrogenarcjet.Separateenergyequationswereformulatedfortheelectronsandtotalspecies,andsevenspeciesnitrogen/hydrogenplasmacompositionofmolecules,atoms,ionsandelectronswasassumed.Someimportantchemicalkineticprocessesofdissociationandionizationwereconsideredinthechemicalnonequilibriummodel.Theplasmapropertieswerecalculatedaccordingtothelocalspeciesnumberdensityandtemperature.Thedistributionoftemperatureandthenumberdensityofeachspeciesinthearcjetwereobtained.Theresultsshowthattheaxisofarcjetisclosetothermalequilibriumandsignificantdeviationfromthermalequilibriumisfoundinthearcattachmentregion.Itisshownthatthespeciesdistributionsofnitrogenandhydrogenaresignificantlydifferentfromthoseattheinletofthruster,whichindicatesthatthereexistthedemixingprocessesinsidethruster.Itisfoundthatthehydrogenspeciesdecreaseatfirstandthenincreasealongtheradialdirectionfromthecentertotheinnerwallofthruster,whilethenitrogencomponentsshowtheoppositetrend.Furtheranalysisshowsthatthespeciesdiffusionsinsidearcjetaredrivenbymolefractiongradientswhichareduetothedissociationandionizationofnitrogenandhydrogenspecies.

Key words: nitrogen/hydrogenarcjet, nonequilibrium, numericalsimulation, chemicalkinetics, electricpropulsion