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《超声速电弧喷射器内等离子体流场的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、1999年12月推进技术Dec.1999第20卷第6期JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGYVol.20No.6超声速电弧喷射器内等离子体流场的数值模拟廖宏图吴铭岚汪南豪(上海交通大学动力与能源工程学院,上海,200030)(上海动力机械研究所,上海,200120)摘要:对一个以氮气为工作气体、在局域热力学平衡下的超声速电弧喷射器内等离子体流场进行了数值模拟。流动模型是耦合了电磁场的扩展N-S方程组。电场由电势方程近似反映,只考虑周向自感应磁场。数值方法中,空间离散格式为中
2、心差分,用标量耗散模型抑制数值波动。用以经典四阶龙格-库塔法为基本迭代格式的时间推进方法求解控制方程组。电势的迭代计算采用多重网格加速收敛,用隐式残值光滑技术改善收敛速度以及时间推进过程的稳定性。计算取得初步的成功:电弧已经出现并可观察到电弧喷射器内的离解和电离状况以及化学不平衡、粘性等效应对流动过程的影响。主题词:电弧喷射发动机,数值仿真,等离子体射流,流动分布分类号:V439.4NUMERICALSIMULATIONONTHEINTERNALPLASMAFLOWOFASUPERSONICAR
3、CJETLiaoHongtuWuMinglan(Inst.ofPowerandEnergy,ShanghaiJiaoTongUniv.,Shanghai,200030)WangNanhao(ShanghaiInst.ofPowerMachinery,Shanghai,200120)Abstract:Theinternalflowfieldofanarcjetusingnitrogenasworkinggaswassimulatedun-derthehypothesisofLTE.Theflowm
4、odelwastheextendedNavier-Stokesequationsystemcou-plingwiththeelectromagneticfield.Theelectricfieldwassimulatedbyelectricpotentialequation.Atimesteppingschemeusing4th-orderclassicalRouge-Kuttamethodwasusedtogettheresult.Theelectromagneticfieldwascalcu
5、latedonlyinthefirstRouge-Kuttastepandfrozeintheothers,whichcanreducethecomputationalloadwhilenotaffecttheconvergencecharacteristic.Otherstepsincludingmultigridtechniquesandresiduesmoothingweretakentoacceleratetheconver-gencerateandimprovethecalculati
6、onstability.Thecalculationissuccessful.Thearcappeararoundtheaxisandcharacteristicsofdissociationandionizationandotherphenomenonsuchastheeffectsofchemicalnonequilibriumandviscositycanbeobserved.Subjectterms:Aarjetengine,Numericalsimulation,Plasmajet,F
7、lowdistribution收稿日期:1998-10-31,修回日期:1999-04-03第20卷第6期超声速电弧喷射器内等离子体流场的数值模拟531引言在航天技术领域,超声速电弧喷射器作为一种性能优异的火箭发动机,已经应用于卫星的姿态控制、轨道补偿等中、小推力场合。随着电弧喷射器在各种领域应用的日趋广泛,越来越迫切需要了解其内部等离子体流动的机理,为其设计提供理论依据。近年来,随着计算机技术的飞速发展和计算流体力学所取得的重大成就,数值模拟已经成为研究电弧喷射器内过程机理的有效途径。由于实
8、际物理过程的复杂性,要准确有效地进行模拟需要在模型中考虑诸多因数及其间的耦合,使得计算过程更为复杂,在计算稳定性、收敛速度方面较一般气体流动或燃烧流动计算的要求更高。本文在建立流动模型的基础上,采用以经典四阶龙格-库塔法为基本迭代格式的时间推进方法对一个以氮气为工作气体、在局域热力学平衡(LTE——LocalThermodynamicEquilibri-um)假设情况下的超声速电弧喷射器内流场进行了数值模拟。其中应用了多重网格、隐式残值光滑等加速收敛措施,计算取得了初步的成功。2数理模型采用如下
