喷管长度对氨电弧加热发动机性能影响的模拟研究.pdfVIP

第六届中国电推进技术学术研讨会论文集 喷管长度对氨电弧加热发动机性能影响的模拟研究 1 1 2 3 耿金越 ，王海兴 ，陈 熙 ，潘文霞 （1. 北京航空航天大学 宇航学院 北京 2. 清华大学 工程力学系 北京 3. 中国科学院 力学研究所 北京） 北京航空航天大学宇航学院，100191 Tel: 010 E-mail: whx@buaa.edu.cn 主题词：电弧加热发动机，等离子体，数值模拟，喷管长度 摘要：本文对低功率氨电弧加热发动机内的传热与流动过程进行了数值模拟，研究了发动机喷管扩张 段长度变化对发动机工作性能的影响。模拟结果表明：在弧电流为10 A，入口总压为2.5 atm 时，氨 电弧加热发动机喷管扩张段长度变短对上游的流动状态影响较小，但对电弧加热发动机的工作性能有 较大影响；随着喷管长度变短，发动机的推力和比冲随之提高。计算获得的典型工况下发动机出口平 面上的轴向速度和温度的径向分布与文献报道的实验测量结果大体相符。 1 引言 电弧加热发动机属于电热推进方式，以千瓦量级低功率电弧加热发动机为例，供给发动机的气态 推进剂以旋流方式进入，经过阴极和阳极间放电所产生的直流电弧加热，形成最高温度超过万度的高 温部分电离气体，经拉瓦尔喷管膨胀加速（气体压力与温度相应下降），以超声速射流形式喷出，产 生推力。经过几十年的努力，具有较高性能的电弧加热发动机在国外已经成功应用于地球同步卫星的 南北位置保持[1] 。 文献[2,3]对电弧加热发动机的性能进行了一些初步模拟研究。电弧加热发动机的性能（推力、比 冲等）不仅与所采用的推进剂种类和工作参数有关，还依赖于发动机约束段直径、长度，喷管扩张段 长度、扩张半角等结构参数。文献[4-6]通过实验方法研究了喷管形状和约束段尺寸等结构参数变化对 发动机性能的影响，获得了一些重要的实验结果。关于提高发动机使用性能的研究，过去较多地依靠 反复实验和经验判断来进行，费时费力。因而发展准确可靠的数值模拟程序，不仅可以增加我们对发 动机内部复杂物理过程、机制的理解，同时还可以根据发动机内部物理量、性能参数的变化规律，对 发动机的结构设计及性能提高提出改进建议。 在本文的计算中，选取地面实验中通常采用的氮氢混合物模拟氨作为工作气体，研究其他结构参 数不变的情况下，喷管扩张段长度变化对发动机工作性能的影响，并将典型工况下的计算结果与文献 报道的实验数据进行比较，验证数值模拟结果的准确性。 2 数值模拟方案 本文数值模拟中采用的基本假定包括：(1) 发动机内部气体的流动为定常、轴对称、层流流动； (2) 等离子体处于局域热力学平衡状态，对辐射为光学薄；(3) 工作气体采用 1：3 氮氢混合物模拟氨， 其物理性质为压力和温度的函数；(4) 忽略浮力和重力，忽略周向流动。模拟中采用如下的控制方程 组[2,3,7] ： ∂ (ρu) + 1 ∂ (rρv ) 0 (1) ∂z r ∂r ( uu) 1 (r uv ) p u 1 u v ∂ ρ + ∂ ρ − ∂ + 2 ∂ ⎛μ ∂ ⎞ + ∂ ⎡rμ ⎛ ∂ + ∂ ⎞ ⎤ + j B (2) ⎜ ⎟ ⎢ ⎜ ⎟⎥ r θ ∂z r ∂r ∂z ∂z ⎝ ∂z ⎠ r ∂r ⎣ ⎝ ∂r ∂