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1、1999年12月推進(jìn)技術(shù)Dec.1999第20卷第6期JOURNALOFPROPULSIONTECHNOLOGYVol.20No.6超聲速電弧噴射器內(nèi)等離子體流場(chǎng)的數(shù)值模擬廖宏圖吳銘嵐汪南豪(上海交通大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院,上海,200030)(上海動(dòng)力機(jī)械研究所,上海,200120)摘要:對(duì)一個(gè)以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w、在局域熱力學(xué)平衡下的超聲速電弧噴射器內(nèi)等離子體流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。流動(dòng)模型是耦合了電磁場(chǎng)的擴(kuò)展N-S方程組。電場(chǎng)由電勢(shì)方程近似反映,只考慮周向自感應(yīng)磁場(chǎng)。數(shù)值方法中,空間離散格式為中
2、心差分,用標(biāo)量耗散模型抑制數(shù)值波動(dòng)。用以經(jīng)典四階龍格-庫(kù)塔法為基本迭代格式的時(shí)間推進(jìn)方法求解控制方程組。電勢(shì)的迭代計(jì)算采用多重網(wǎng)格加速收斂,用隱式殘值光滑技術(shù)改善收斂速度以及時(shí)間推進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性。計(jì)算取得初步的成功:電弧已經(jīng)出現(xiàn)并可觀(guān)察到電弧噴射器內(nèi)的離解和電離狀況以及化學(xué)不平衡、粘性等效應(yīng)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響。主題詞:電弧噴射發(fā)動(dòng)機(jī),數(shù)值仿真,等離子體射流,流動(dòng)分布分類(lèi)號(hào):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期超聲速電弧噴射器內(nèi)等離子體流場(chǎng)的數(shù)值模擬531引言在航天技術(shù)領(lǐng)域,超聲速電弧噴射器作為一種性能優(yōu)異的火箭發(fā)動(dòng)機(jī),已經(jīng)應(yīng)用于衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道補(bǔ)償?shù)戎小⑿⊥屏?chǎng)合。隨著電弧噴射器在各種領(lǐng)域應(yīng)用的日趨廣泛,越來(lái)越迫切需要了解其內(nèi)部等離子體流動(dòng)的機(jī)理,為其設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)所取得的重大成就,數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究電弧噴射器內(nèi)過(guò)程機(jī)理的有效途徑。由于實(shí)
8、際物理過(guò)程的復(fù)雜性,要準(zhǔn)確有效地進(jìn)行模擬需要在模型中考慮諸多因數(shù)及其間的耦合,使得計(jì)算過(guò)程更為復(fù)雜,在計(jì)算穩(wěn)定性、收斂速度方面較一般氣體流動(dòng)或燃燒流動(dòng)計(jì)算的要求更高。本文在建立流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上,采用以經(jīng)典四階龍格-庫(kù)塔法為基本迭代格式的時(shí)間推進(jìn)方法對(duì)一個(gè)以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w、在局域熱力學(xué)平衡(LTE——LocalThermodynamicEquilibri-um)假設(shè)情況下的超聲速電弧噴射器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中應(yīng)用了多重網(wǎng)格、隱式殘值光滑等加速收斂措施,計(jì)算取得了初步的成功。2數(shù)理模型采用如下
