【摘 要】
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高频感应等离子体风洞（Inductively Coupled Plasma Wind Tunnel,ICPWT）广泛应用于飞行器周围等离子体鞘层研究,其产生的等离子体不仅温度高焓值大且无其他污染,被认为是常用的飞行器周围飞行环境地面模拟设备。本文以已建立的高频感应等离子体风洞为研究对象,利用多物理场耦合求解技术研究了ICPWT内吸收功率机理以及流场分布特性。首先建立了热化学非平衡磁流体力学数值模型
【基金项目】
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国家自然科学基金（批准号:11705143）；
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高频感应等离子体风洞（Inductively Coupled Plasma Wind Tunnel,ICPWT）广泛应用于飞行器周围等离子体鞘层研究,其产生的等离子体不仅温度高焓值大且无其他污染,被认为是常用的飞行器周围飞行环境地面模拟设备。本文以已建立的高频感应等离子体风洞为研究对象,利用多物理场耦合求解技术研究了ICPWT内吸收功率机理以及流场分布特性。首先建立了热化学非平衡磁流体力学数值模型,该模型考虑了 Navier-Stokes方程组、Maxwell方程组和空气11组分物质的32种化学反应模型。接着建立了ICP风洞吸收功率模型,该模型采用等效电路的方法,结合了高频电源内部电子管振荡器效率模型和等离子体-感应线圈耦合效率模型。应用上述理论模型探究ICPWT吸收功率机理,通过试验与数值模拟结果的对比,验证了该模型的正确性。最后采用以上数值模型,分别对100kW级、1.2MW级ICPWT进行研究,再现了感应耦合等离子体的基本流体特性,如感应线圈下方的热等离子体火焰、喷嘴中的亚音速-超音速的过渡以及ICP炬和试验室中的涡流等。针对100kW级ICPWT,研究了不同工作参数（如线圈匝数、质量流率和放电管半径）对其流场特性的影响。研究结果表明,5圈感应线圈是该100kW ICPWT的最佳选择;随着炬入口气体的质量流率的提高,平动温度、电子数密度也会升高;当放电管的半径为36mm时,具有相对较宽的试验范围,所产生的ICP温度也相对较高,是较优的选择;最后利用试验温度结果验证了该数值模型和方法。针对1.2MW级ICPWT,研究了不同功率条件下的流场特性。研究结果表明,在线圈中心下方观察到温度、压力、电子数密度等参数的最大值;径向洛伦兹力对动量传递的影响大于轴向洛伦兹力;中心轴上的电子数密度以及焦耳加热率的振幅和位置受径向洛伦兹力的影响:在风洞入口和试验室壁处容易产生强涡流。最后利用光谱试验得到的温度值对比数值模拟的温度分布,验证了模拟结果以及数值模拟技术。本文通过数值模拟研究中高功率ICPWT的吸收功率和流场特性,为其结构设计和运行条件提供了一定的理论指导。
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