本文關(guān)鍵詞： 電弧加熱等離子發(fā)動機 等離子體射流 流動特性 伏安特性 數(shù)值模擬　出處：《南京理工大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：電弧加熱等離子發(fā)動機在國外已經(jīng)應(yīng)用于衛(wèi)星保持系統(tǒng),在空間推進系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。電弧加熱等離子發(fā)動機利用電弧將工質(zhì)加熱到20000K的高溫電離,然后流經(jīng)拉瓦爾噴管迅速膨脹加速,在這個過程中將工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為超音速的等離子射流而形成反推力。本文主要通過理論分析與數(shù)值模擬的相結(jié)合的方法,對電弧加熱等離子發(fā)動機射流進行研究,并借助實驗手段對發(fā)動機陽極噴嘴燒蝕情況進行了初步的探究。(1)本文將三種湍流模型(標準k-e模型、標準k-ω模型、SST k-ω模型)應(yīng)用于電弧加熱等離子射流數(shù)值模擬中,并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較,發(fā)現(xiàn)采用標準k-ε模型和標準k-ω模型時與實驗結(jié)果相差較大,采用SST k-ω模型時與實驗結(jié)果較吻合。相對標準k-ε模型和標準k-o模型,SST k-ω模型更適合電弧加熱等離子發(fā)動機射流的數(shù)值模擬。(2)針對自主設(shè)計的電弧加熱等離子發(fā)動機,分別從工作電流、工質(zhì)和陽極結(jié)構(gòu)三個方面,采用數(shù)值模擬的方法,討論其對電弧加熱等離子發(fā)動機工作特性的影響。研究結(jié)果如下：工作電流對等離子體射流流場有較大的影響,電流強度直接決定發(fā)動機內(nèi)的電流密度,從而影響焦耳熱,增加電流可以明顯增加等離子體溫度和速度。同時,對于自主設(shè)計的電弧加熱等離子發(fā)動機,在所研究的電流范圍得到上升的伏安特性。由于導(dǎo)電率的差異,不同工質(zhì)的電弧加熱等離子發(fā)動機的工作特性差異較大。當工作電流為150A時,三種推進的發(fā)動機的弧電壓值關(guān)系為：UH2UN2UAr,即在相同工作電流下,發(fā)動機的功率關(guān)系為：PH2PN2PAr。發(fā)動機功率的差異也最終影響到溫度分布,發(fā)動機的溫度也出現(xiàn)相同的關(guān)系：TH2TN2TAr,發(fā)動機中心軸線上速度分布由于受溫度的影響從陽極喉部位置開始出現(xiàn)較為明顯的差異。相對陽極收縮角α和喉部長度l,陽極喉部直徑d對發(fā)動機工作特性的影響最大。隨著喉部直徑d的增加,發(fā)動機中心軸線上的電流密度減小,電弧電壓隨之增加,發(fā)動機中心軸線上等離子體的最高溫度和最大速度都隨之減小。而陽極收縮角α和喉部長度l的變化,對發(fā)動機的伏安特性和等離子體射流流場的影響基本可以忽略。(3)通過對電弧加熱等離子發(fā)動機的改進,提高了冷卻效率,有效的防止了陽極的燒蝕,延長陽極噴嘴使用壽命的效果。同時通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：當陽極喉部直徑為2mm時,陽極燒蝕主要集中在陽極喉部和擴張段,而喉部直徑為4mm時陽極燒蝕主要集中在噴嘴出口周圍,且燒蝕量增加。通過本文的研究,為今后電弧加熱等離子發(fā)動機的數(shù)值模擬和發(fā)動機的工程應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。
[Abstract]:Arc heated plasma engine has been used in satellite maintenance system abroad and has a wide application prospect in space propulsion system. Arc heating plasma engine uses arc to heat the working fluid to 20000K high temperature ionization. In this process, the internal energy of the working fluid is transformed into supersonic plasma jet to form the reverse thrust. The method of combining theoretical analysis with numerical simulation is used in this paper. In this paper, three turbulence models (standard k-e model, standard k-e model) are studied. The standard k- 蠅 model and SST k- 蠅 model are applied to the numerical simulation of arc heated plasma jet. The results are compared with the experimental results. It is found that the standard k- 蔚 model and the standard k- 蠅 model are different from the experimental results. Compared with the standard k- 蔚 model and the standard k-o model, the SST k- 蠅 model is more suitable for the numerical simulation of the arc heated plasma engine jet than the standard k- 蔚 model and the standard k-o model. From three aspects of working current, working fluid and anode structure, the method of numerical simulation is used. The results are as follows: the working current has great influence on the flow field of the plasma jet, and the current intensity directly determines the current density in the engine, thus affecting the Joule heat. Increasing the current can obviously increase the temperature and velocity of the plasma. At the same time, for the self-designed arc heated plasma engine, the volt-ampere characteristic is increased in the range of the studied current. When the working current is 150A, the arc voltage relation of the three kinds of propulsion engines is: 1: UH2UN2UAr. that is, under the same working current, The power relationship of the engine is: PH2PN2PAr. the difference in engine power also ultimately affects the temperature distribution. The engine temperature also shows the same relation: TH2TN2TAr. the velocity distribution on the center axis of the engine is obviously different from the position of the anode throat due to the influence of temperature. Relative to the anodic shrinkage angle 偽 and throat length l, the anode is different. The laryngeal diameter d has the greatest influence on the engine performance. With the increase of the throat diameter d, The current density on the central axis of the engine decreases, the arc voltage increases, and the maximum temperature and velocity of the plasma on the central axis of the engine decrease, while the anode contraction angle 偽 and the length of the throat l change. The influence on the volt-ampere characteristic of the engine and the flow field of the plasma jet can be neglected. (3) through the improvement of the arc heating plasma engine, the cooling efficiency is improved, and the anode ablation is effectively prevented. The effect of prolonging the service life of anodic nozzles. At the same time, it is found that when the diameter of anodic throat is 2 mm, the anode ablation is mainly concentrated in the anode throat and expansion section. When the throat diameter is 4 mm, the anode ablation is mainly around the nozzle outlet, and the ablation amount is increased. The research in this paper provides a theoretical basis for the numerical simulation of the arc heated plasma engine and the engineering application of the engine in the future.
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V439.2

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本文編號：1519685