直流电压下水射流等离子弧的产生及其电磁加速过程

摘要

随着载人航天技术的发展，储水和输水设备受限于航天器空间的问题得到了解决，以水为推进剂的航天推进技术步入了良性发展阶段。本文所研究的水射流等离子弧推进是在以液体为工质的电热式推进器和以气体为工质的等离子推进器为基础所发展起来的新技术，但由于反应机理过于复杂，理论解析难度较大，实验数据也较难提取，所以，数值模拟对于水射流等离子弧推进效应的理论研究具有举足轻重的地位。 本文在流体力学软件二次开发的基础上，对水射流等离子弧反应器和电磁加速推进器内部的多物理场进行了耦合数值模拟，并探讨了系统推力及其影响因素。结果表明：等离子弧的产生对于加速射流的效果明显；水蒸气和等离子体的产生致使电场发生明显畸变；随着相变作用的加强，电流与产热率降低；推进器中，感应电场引起的洛仑兹力起到了阻碍射流的作用，增大外加磁场对于射流的加速作用弱于增大外加电场所引起的效果。通过对系统推力和水的利用效率分析表明，水射流等离子弧推进系统中水的利用效率得到很大提高；在真空条件下，系统推力存在较大的提升空间。 所获得的计算结果为进一步阐明反应器中水射流等离子弧的形成及在羽流区的被加速机理奠定了一定基础，对优化等离子弧发生器及推进器结构有一定参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.2.1水中放电的研究现状

1.2.2电推进技术的研究现状

1.2.3等离子体射流反应器的研究现状

1.2.4等离子弧羽流区的研究现状

1.3课题来源及意义

1.4课题研究内容

第2章水射流等离子弧反应器的数值模拟

2.1模型简介

2.2数值模拟方法

2.2.1多相流建模及VOF方法

2.2.2UDF和UDS

2.3模型控制方程

2.3.1流动的控制方程

2.3.2能量守恒方程

2.3.3电场控制方程

2.4边界条件

2.5计算结果与分析

2.5.1水-水蒸气-等离子体相变过程

2.5.2水射流等离子弧中电学特性分析

2.5.3相关文献的实验对比

2.6本章小结

第3章水射流等离子弧电磁加速的数值模拟

3.1电磁加速模型

3.2模型理论分析

3.2.1模型控制方程

3.2.2方程简化形式的推导

3.3边界条件的设定

3.4计算结果

3.4.1流场结果与分析

3.4.2电场计算结果与分析

3.4.2温度、密度和洛仑兹力结果与分析

3.5磁场和电场变化所造成的影响

3.6本章小结

第4章水射流等离子弧推进力的分析

4.1水射流等离子弧推进系统的推进力

4.1.1系统的推力

4.1.2水的利用效率

4.2系统推力的计算结果

4.2.1反应器的推力

4.2.2推进器的推力

4.2.3推进系统的推力

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢