电子传导特性对稳态等离子推进器影响的数值模拟

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电子传导特性对稳态等离子推进器(SPT)的工作状态具有重要的影响,其中包括影响通道内部电势分布,电子能量分布以及原子的电离与离子的加速,从而影响SPT的积分性能参数。利用数值模拟的方法将电子传导特性对SPT的影响定量化,易于总结变化规律,推进理论研究。为了研究电子传导特性对SPT的影响,本文首先对电子传导特性自身的影响因素进行了分析,其中包括外加磁场对电子传导特性的影响、壁面材料特性对电子传导特性的影响以及离子流对壁面的冲击对电子传导特性的影响。这些都是从SPT的实验中观测到的现象里提取出来的影响因素,具有进行研究的实际价值。建立SPT数学模型及数值仿真平台是开展研究工作的必要条件。本文考虑到在SPT中电子能量分布的各向异性,采用了考虑双电子温度的一维瞬态流体模型。对模型中原子、离子以及电子的流体方程进行了特征分析,利用计算流体力学的理论建立了每组方程的数值求解算法,最终使用时间逼近的递推求解方法求出数学模型的稳态解,完成了数值仿真平台的搭建。在数值仿真平台的基础上,首先研究了不同磁场梯度下电子传导特性的改变对SPT的影响。通过对计算结果的分析表明,磁场梯度越大,SPT通道内的电势分布具有更长的缓变区间与更短的骤变区间,有利于提高通道内电子能量,增加工质利用率;同时能够缩短电离区间,使得产生的离子被加速之后具有更加集中的能量分布,提高了SPT的整体性能指标。针对SPT的实际运行工况,分别考虑了壁面材料特性和离子流冲击壁面两种影响因素下近壁传导特性改变对SPT的影响。两种情况下的计算结果均表明,近壁传导特性对SPT的影响是与壁面鞘层密切相关的。这两种因素无论如何改变,只要能使得鞘层形态朝着同一方向发展,那么其后对SPT的一系列影响便是相同的。
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