电弧加热发动机内高温部分电离气体流动与传热特性研究

本项目以航天领域中有广阔应用前景的电弧加热发动机研制为背景，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，系统地研究以氢、氮及氢?氮混合物为推进剂的电弧加热发动机内部高温部分电离气体的流动与传热特性，以及发动机性能参数的关联。数值模拟中将针对气体因电弧加热而部分电离、流动与传热和电磁场耦合、体系高度非等温、参数梯度大等特点，考虑气体热力学性质和输运性质随温度、压力与推进剂类型的大幅度变化，求解相关的控制方程组，获得发动机内温度、速度、压力等的分布和发动机推力、比冲等性能参数；揭示推进剂类型对电弧特性、电弧加热发动机内能量转化过程、及发动机性能参数的影响。拟采用组合扩散系数法对以氢?氮混合气为推进剂的发动机内的去混合现象进行研究，采用非平衡模型及实时计算气体物性的方法对发动机内的非平衡现象进行初步研究。本项研究将有助于加深对电弧加热发动机内流动、传热及能量转换过程的了解，促进相关的技术应用。

本项目以航天领域中有广阔应用前景的电弧加热发动机研制为背景，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，系统地研究了以氢、氮及氢-氮混合物为推进剂的电弧加热发动机内部高温部分电离气体的流动与传热特性，以及发动机性能参数的关联。数值模拟中针对气体因电弧加热而部分电离、流动与传热和电磁场耦合、体系高度非等温、参数梯度大等特点，考虑气体热力学性质和输运性质随温度、压力与推进剂类型的大幅度变化，求解相关的控制方程组，获得发动机内温度、速度、压力等的分布和发动机推力、比冲等性能参数；揭示推进剂类型对电弧特性、电弧加热发动机内能量转化过程、及发动机性能参数的影响。发展了高温部分电离气体物性的计算方法，计算获得了氢气、氦气、氮气、氩气等多种气体在较宽压力和温度范围内的热力学和输运性质。发展与完善了氢、氩电弧加热发动机非平衡数值模拟的所需的物理与数学模型。对氩、氢电弧加热发动机进行的非平衡数值模拟表明，发动机气体流动存在明显的偏离热力学和化学平衡状态，虽然激发态组分在发动机内含量不高，但是对于阳极电弧贴附过程有着重要影响,进而影响发动机内电流、温度和速度分布。本项研究加深了对电弧加热发动机内流动、传热及能量转换过程的了解，促进相关的技术应用。