低功率氨电弧加热发动机数值模拟.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123067
低功率氨电弧加热发动机数值模拟基金项目:国家自然科学基金资助项目(Nos. 50836007, 11072020)
陈轩,耿金越,孙素蓉,王海兴
(北京航空航天大学宇航学院, 北京 100191)
(Tel: [phone], E-mail: ******@buaa.)
摘要:本文分别采用纯氨和氮氢混合物模拟氨作为推进剂,对低功率电弧加热发动机内的传热与流动进行数值模拟研究,获得了典型工况下发动机内的温度、速度分布以及发动机的推力、比冲等性能参数。模拟结果表明,采用纯氨和氮氢模拟氨作为推进剂,对应的发动机内传热与流动规律基本一致;但由于氨气在温度升高过程中需要经历更多、更复杂的解离和电离反应,因而采用纯氨气可以获得更高的弧电压和输入功率,其对应发动机各种性能参数也高于采用氮氢模拟氨作推进剂所对应的结果。
关键词:电弧加热发动机;等离子体;数值模拟;氨气;氮氢混合物模拟氨气
0 引言
电弧加热发动机的推力、比冲等性能参数不仅依赖于发动机的结构参数[1],还与所采用的推进剂种类有关。在各种可选推进剂中,氨具有独特的优势。一方面采用氨作为推进剂,发动机可以获得较高的比冲;另一方面,相对于其他气体,在适宜的温度范围内,氨可以以液体形式储存,可实现与现有的卫星推进系统较好地兼容。因而,相关研究引起人们的广泛关注[2,3]。在地面实验中考虑到氨气的腐蚀性等因素,通常采用氮氢混合物按照1:3的比例模拟氨作为工作气体来代替氨进行实验研究。虽然氨气和氮氢混合物模拟氨中氢和氮的摩尔组分相同,但氨气在温度升高过程中,会发生解离、电离等一系列较为复杂的化学反应,与氮氢混合物的解离、电离过程有较大差异,因而二者在一定条件下获得的解离和电离组分是不同的,这会进一步导致纯氨等离子体与氮氢模拟氨气等离子体的热力学和输运性质如比焓、定压比热、热导率等性质的不同,进而影响电弧加热发动机内的流动与传热过程。
本文选择在相同的发动机与工况下,分别采用纯氨气和氮氢模拟氨气作为推进剂进行模拟研究,对比分析了分别采用两种推进剂时发动机内的温度、速度分布等参数及发动机内部的传热与流动过程。研究了两种推进剂对电弧加热发动机性能的影响,计算结果有助于增进对其内部传热与流动过程的了解,为发动机的地面实验提供建议和参考。
1 数值模拟方案
本文在进行电弧加热发动机的二维数值模拟研究时,采取的基本假定包括:(1) 发动机内气体流动为定常、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)
等离子体的热力学物性及输运物性为压力和温度的函数;(4) 轴向及径向动量方程中加入了Lorentz力项,能量方程中包括焦耳热项,辐射损失,粘性耗散及压力功项;(5) 忽略浮力和重力,忽略周向流动。
在上述基本假定下,发动机内部的传热与流动规律可以由下面给出的控制方程组来加以描述[4]:
(1)
(2)
(3)

(4)
(5)
此处u、v分别是轴向(z-)、径向(r-)速度分量;p与是压力与电位;ρ、h、m、k、cp、和Ur分别是依赖于温度与压力的等离子体密度、比焓、粘性系数、热导率、定压比热、电导率以及单位体积辐射功率,模拟中采用预先编制的数据表加以计算;Φ为粘性耗散项