电推进发动机羽流流场DSMC/PIC混合算法研究

【摘要】： 电推进发动机由于具有大比冲等众多突出优点在各类航天器的姿态控制、轨道转移等任务中获得越来越广泛应用。然而发动机工作时产生的羽流效应可能对航天器正常工作造成严重影响,因此必须对羽流场对航天器飞行环境污染状况加以预报。本文以电推进发动机羽流场的分析和预测为主要目标,首先对电推进羽流场的流动特性、求解方案和计算方法等问题进行研究,然后在这一基础上以某一霍尔效应发动机羽流场为例进行了数值模拟,从而实现了对电推进发动机羽流场的分析和预报。主要成果如下: 在对几种主要电推进发动机工作原理进行综述的基础上,分析了各自羽流流场的流动特点。针对电推进羽流场同时含有中性原子和带电粒子且连续介质假设不成立等特点,采用DSMC/PIC混合算法的求解方案。解决了中性原子与带电粒子的碰撞模型,并应用DSMC方法对中性原子运动及各类碰撞过程进行仿真;对带电粒子的运动采用PIC方法进行模拟,于是建立起数值求解电推进发动机稀薄等离子体羽流流场的DSMC/PIC混合算法。这一耦合算法拓宽了PIC与DSMC方法的各自适用领域,研究成果具有重要的理论意义。作为求解电推进羽流场的重要组成部分,本文采用电子流体模型和泊松方程模型计算方法进行羽流场电位势求解。 针对国内目前还没有开展电推进发动机羽流方面的研究,本文通过对某霍尔效应发动机羽流场进行DSMC/PIC数值模拟,编制出国内首个电推进发动机羽流流场预测与分析软件,得到了羽流场中带电粒子数密度分布、电位势分布及电流密度分布等工程设计关心的物理量。计算结果与国外文献比较表明,本文采用的数学模型正确、计算方法合理、软件代码正确,能够用来分析电推进羽流流场特性并为计算羽流污染效应提供依据。通过改变计算条件讨论了发动机出口参数对电推进羽流流场的影响,指出减小发动机出口截面离子和中性原子数密度、运动速度有利于降低羽流污染效应。 本文的研究成果为电推进发动机羽流效应的预测和预防奠定了基础,对航天器的总体设计具有重要参考价值。