低功率氢电弧加热发动机的非平衡数值计算

1144766066 · 发表于 2022-5-2 11:44:42

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雅宝题库解析：
电弧加热发动机是一种典型的电热式空间电推进装置，具有比冲高、运行电压低、结构简单、系统兼容性好等特点。功率范围在0.1～1 kW的低功率电弧加热发动机可用作卫星的姿态调整和位置保持的动力装置。当氢气作为电弧加热发动机的推进剂时，能够使发动机获得较高的比冲和性能，因而相关研究受到人们的广泛关注。由于低功率电弧加热发动机内部尺寸狭小，并且多种物理过程相耦合，通过实验方法获得发动机内部参数分布较为困难，因而数值计算成为研究电弧加热发动机内部过程的重要工具。进行发动机内部流动和传热过程数值计算的一个重要前提就是获得覆盖较宽温度和压力范围的工作气体的热力学和输运性质。因此，本文首先采用Saha方程、气体状态方程、电中性条件计算获得了电子温度不等于重粒子温度，即双温度情形下，氢等离子体的热力学性质；在此基础上，采用经典的Chapman-Enskog方法计算获得了氢等离子体的粘性、导热系数和电导率等输运性质；建立了温度范围为300～40 000 K，压力区间在0.0001～2 atm氢等离子体物性的数据库。计算获得的局域热力学平衡条件下的结果与文献报道数据符合良好。本文还将这种方法扩展到高阶近似公式，计算了高功率电推进发动机常用的锂推进剂的等离子体热力学和输运性质。由于电弧加热发动机内的传热和流动过程可能处于热力学非平衡状态，因此本文在文献的基础上，推导完善了描述氢电弧加热发动机传热和流动过程的二维热力学和化学非平衡模型。模型中考虑了电弧加热发动机工作过程涉及的电离-复合反应、热力学非平衡对能量输运过程的影响、气体的可压缩效应、洛伦兹力和焦耳热等物理过程。在此基础上，对低功率氢电弧加热发动机内部的传热与流动特性进行了初步的、双温度情形下的数值模拟；获得了电弧加热发动机内电子和重粒子的数密度、温度、速度及静压分布，并与实验结果和局域热力学平衡模型计算结果进行了比较分析，为今后开展相关研究奠定了基础。

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