亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        低功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)的數(shù)值計(jì)算

        2018-11-02 09:18:18何青松耿金越王海興
        載人航天 2018年5期
        關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)

        何青松,朱 濤,耿金越,沈 巖,王海興?

        (1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京100191;2.北京控制工程研究所,北京100190)

        1 引言

        電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)是一種典型的電熱式推進(jìn)裝置,由于其具有比沖高、推力密度大、羽流擴(kuò)張角小、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)兼容性好等特點(diǎn),在衛(wèi)星工程及其他航天任務(wù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。美國是最早開展電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)研究與應(yīng)用的國家,其研究工作可分為兩個(gè)階段:第一階段,美國在20世紀(jì)50年代中期初次開展電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作,但是由于空間電源無法滿足電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求,因此在60年代中期中止了相關(guān)研究工作;第二階段,到20世紀(jì)80年代后期,隨著空間可用電功率的增加,美國重新開展電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究,參與研究的機(jī)構(gòu)主要有美國宇航局和美國空軍,研究的范圍從低功率(0.3~3 kW)到中、大功率(30~100 kW)的發(fā)動(dòng)機(jī)的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī),1993年電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)成功用于美國通訊衛(wèi)星Telstar標(biāo)志著它正式進(jìn)入工程應(yīng)用時(shí)代[1]。 近年來,中科院空間中心[2]、北京航空航天大學(xué)[3]、北京控制工程研究所[4]、清華大學(xué)[5]、中科院力學(xué)研究所[6-7]等國內(nèi)單位相繼開展了電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究,突破了一些關(guān)鍵技術(shù),使我國電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的研究有了較大的進(jìn)展,為今后開展工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

        電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部工作過程如圖1所示,氣體通常以旋流方式從發(fā)動(dòng)機(jī)上游進(jìn)入,在約束通道內(nèi)氣體被加熱到萬度量級,然后經(jīng)拉瓦爾噴管膨脹加速產(chǎn)生推力[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)空間狹?。?],氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部停留時(shí)間只有微秒量級,因而用于工作氣體解離和電離的部分能量可能無法回收形成凍結(jié)損失。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在較大的速度梯度和溫度梯度,速度從軸線的每秒幾千米變化到壁面的0,溫度從陰極下游的104K量級變化到噴管出口的103K量級[10]。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的流速很高,但是由于氣體溫度高且噴管的特征尺寸小,所以發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)仍然屬于層流流動(dòng)。

        圖1 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工作過程示意圖[8]Fig.1 diagram of the arcjet thruster working process[8]

        電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)傳熱流動(dòng)的研究十分困難,雖然實(shí)驗(yàn)測量能提供有用的信息,但由于其狹小的空間給實(shí)驗(yàn)測量帶來了許多困難。因而采用數(shù)值模擬的手段獲得發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各種參數(shù)的分布具有重要意義。數(shù)值模擬前期,一般采用的模型比較簡單,模型中采用了比較多的假設(shè),例如基于約束段流動(dòng)的雙通道模型和三通道模型[10]。隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的全場流動(dòng)也逐漸發(fā)展起來,較為出色的是 Megli[11]和 Miller[21]的工作,分別對氮?dú)浜蜌潆娀〖訜岚l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了細(xì)致的數(shù)值模擬研究。

        目前已經(jīng)有不少關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的傳熱流動(dòng)特性的文獻(xiàn)報(bào)道,但關(guān)于不同工作氣體傳熱流動(dòng)特性的比較卻很少。當(dāng)混合氣體作為推進(jìn)劑,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)存在的大參數(shù)梯度勢必會導(dǎo)致內(nèi)部傳質(zhì)過程十分復(fù)雜。因此本文將比較不同工作氣體的傳熱流動(dòng)特性以及研究發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的傳質(zhì)過程。

        2 數(shù)值模擬

        在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的地面實(shí)驗(yàn)中,通常采用按一定比例混合的氮?dú)浠旌衔镒鳛楣ぷ鳉怏w研究發(fā)動(dòng)機(jī)性能。在先前的研究中,通常假定在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體組成處處是均勻的,然而即使在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前氣體已經(jīng)充分混合,電弧區(qū)內(nèi)仍可能存在由于氣體組分?jǐn)U散速度不同而引起的混合氣體部分分離,即反混合現(xiàn)象[13]。

        在混合氣體中的每種組分?jǐn)U散可以用質(zhì)量通量表示,如果混合氣體中有q種組分并存在溫度梯度的情形下,擴(kuò)散通量的表達(dá)式為式(1)[13]:

        式中,vi是i組分相對于質(zhì)量平均速度的擴(kuò)散速度,Dij是尋常擴(kuò)散系數(shù),DiT是熱擴(kuò)散系數(shù),上式中為擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力dj,擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力的組成非常復(fù)雜,在一般情形下,由于濃度梯度引起的組分?jǐn)U散為主要原因,然而在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)由于存在較大的溫度和壓力梯度,因此也可能存在由于溫度和壓力梯度引起的擴(kuò)散。如果摩爾濃度梯度的產(chǎn)生是由于組分的解離引起,那么擴(kuò)散會驅(qū)動(dòng)解離組分由當(dāng)?shù)叵蛲鈹U(kuò)散,導(dǎo)致當(dāng)?shù)亟怆x組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。壓力梯度驅(qū)動(dòng)氫組分由壓力較高區(qū)域向壓力較低區(qū)域擴(kuò)散,而溫度梯度引起擴(kuò)散的方向則取決于溫度擴(kuò)散系數(shù)的方向。當(dāng)溫度擴(kuò)散系數(shù)大于零時(shí),氮?dú)浠旌衔镏械姆肿恿枯^小的氫從低溫度區(qū)向高溫度區(qū)擴(kuò)散;當(dāng)溫度擴(kuò)散系數(shù)小于零時(shí),則相反。

        Murphy提出的組合擴(kuò)散系數(shù)法簡化了擴(kuò)散問題的計(jì)算,已經(jīng)廣泛應(yīng)用到直流等離子體發(fā)生器[14]、自由燃燒電?。?5]以及焊接電?。?6]等多種工況下等離子的數(shù)值模擬中。為準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各組分的分布、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)等離子體的輸運(yùn)和熱力學(xué)性質(zhì),并準(zhǔn)確地預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)的速度、溫度、性能參數(shù)以及電弧貼附等,我們將這種方法推廣到電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的組分?jǐn)U散問題研究。

        數(shù)值計(jì)算采用的物理模型基于電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)等離子體處于局域熱力學(xué)平衡狀態(tài),發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)為定常、軸對稱、層流流動(dòng),等離子體對輻射為光學(xué)薄,忽略浮力和重力,忽略周向流動(dòng)。數(shù)值模擬采用的控制方程組和邊界條件見參考文獻(xiàn)[8]。數(shù)值計(jì)算中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸主要依據(jù):①NASA Lewis中心研制的低功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī);②中科院力學(xué)所設(shè)計(jì)的低功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī);③德國斯圖加特大學(xué)設(shè)計(jì)的中等功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)。計(jì)算采用的工作氣體有氬氣、氮?dú)?、氫氣以及各種比例的氮?dú)浠旌衔铩S?jì)算中涉及到等離子的物性參數(shù)包括電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、粘性以及焓值等,其計(jì)算方法可參照文獻(xiàn)[17]~[19]。計(jì)算工具采用我們課題組發(fā)展的兩套用于計(jì)算電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)值模擬程序,兩套程序已經(jīng)成功用于研究以氮?dú)浠旌衔铮?0-22]、氫氣[23]、氮?dú)猓?3]、氬氣[24-26]等為工作氣體的低功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的傳熱流動(dòng)特性。數(shù)值計(jì)算中測試了不同網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響,以避免由于網(wǎng)格數(shù)量而引起的計(jì)算誤差。在本文的計(jì)算中,對于流動(dòng)和傳熱的研究,分別采用氫氣、氮?dú)夂蜌鍤庾鳛楣ぷ鳉怏w,為了便于比較,三種工作氣體的入口壓力均取為2.5個(gè)大氣壓,工作電流分別設(shè)為8 A和10 A。對于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)組分?jǐn)U散的研究,采用氮?dú)浠旌夏M肼為工作氣體,入口壓力為2.5個(gè)大氣壓,工作電流設(shè)為10 A。

        3 結(jié)果及討論

        3.1 流動(dòng)過程

        圖2和圖3分別為電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向速度分布比較和馬赫數(shù)分布比較。從圖2中可以看出,工作氣體在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后,在較短的距離內(nèi)被加速到較高的速度,因而在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管內(nèi)存在較大的速度梯度,并且軸向速度隨著弧電流的增加而增加。從圖3中可以看出,在噴管內(nèi)根據(jù)馬赫數(shù)分布可以將氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)分為三個(gè)區(qū)域,即亞聲速區(qū)、跨聲速區(qū)和超聲速區(qū)。在發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的收縮段,流動(dòng)速度較低,對應(yīng)的馬赫數(shù)小于1,流動(dòng)處于亞聲速狀態(tài)。在噴管的約束段,輸入的電能轉(zhuǎn)化為氣體的熱能繼而轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能,所以氣體的流動(dòng)狀態(tài)由亞聲速轉(zhuǎn)變?yōu)槌曀?。在噴管的擴(kuò)張段,流動(dòng)為超聲速狀態(tài)。值得注意的是,模擬獲得的軸向速度在約束通道出口下游附近達(dá)到最大值,然后隨著軸向距離的增加速度逐漸降低,這種軸向速度分布與傳統(tǒng)縮放噴管內(nèi)擴(kuò)張段內(nèi)超聲速流動(dòng)的分布有所不同,是電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)由于焦耳加熱、氣體粘性等因素綜合作用的結(jié)果。計(jì)算獲得的噴管內(nèi)馬赫數(shù)分布總是隨著軸向距離的增加而增加,這一規(guī)律與傳統(tǒng)超聲速噴管內(nèi)馬赫數(shù)分布規(guī)律類似。

        圖2 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)軸向速度分布比較Fig.2 Comparison of axial velocity in the arcjet thruster

        圖3 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)馬赫數(shù)分布比較Fig.3 Comparison ofMach numberin the arcjetthruster

        圖4為軸向速度沿軸線的分布比較,由于不同工作氣體分子質(zhì)量或質(zhì)量密度的差別,當(dāng)氫氣作為工作氣體時(shí),噴管出口處的氣體軸向速度明顯高于氮?dú)夂蜌鍤獾那樾?。因此,氫電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖也明顯高于氮和氬電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī),這種趨勢已為眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所驗(yàn)證。圖5為軸向速度和馬赫數(shù)在出口截面分布比較,從圖中的出口馬赫數(shù)分布可以看出,雖然不同工作氣體的發(fā)動(dòng)機(jī)出口處的軸向速度分布有較大差別,馬赫數(shù)的分布卻差別較小,這是因?yàn)闅涞入x子體的聲速明顯高于氮和氬等離子體的聲速而引起的。

        圖4 軸向速度沿軸線分布比較Fig.4 Comparison of axial velocity along the arcjet axis

        圖5 軸向速度和馬赫數(shù)在出口截面分布比較Fig.5 Comparison of axial velocity and Mach number at arcjet exit

        3.2 傳熱過程

        圖6為電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體溫度和噴管溫度分布比較,從圖中可以看出電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度分布和能量轉(zhuǎn)換過程總體上是相似的。工作氣體的入口溫度為500 K,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后,在焦耳熱的加熱作用下溫度迅速升高。氣體被加熱主要發(fā)生在陰極下游以及約束段附近,最高溫度出現(xiàn)在陰極尖下游,電流密度較高的地方。隨后,在噴管的擴(kuò)張段,由于氣動(dòng)膨脹作用逐漸占據(jù)主導(dǎo),焦耳熱的影響逐漸降低,氣體溫度逐漸下降。從圖中還可以看出,隨著工作電流的增加,氣體溫度也隨之增加。

        圖6 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體溫度與噴管溫度分布比較Fig.6 Comparison of temperature in the arcjet thruster and anode nozzle

        圖7為電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度沿軸線分布,從圖中可以看出,由于電弧加熱的作用,氣體溫度最初上升很快,對于氫、氮和氬,最高溫度分別為25 210 K,20 190 K和18 530 K。由于氫的比焓遠(yuǎn)高于氮和氬的比焓,所以維持氫電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的輸入功率也較高,計(jì)算獲得的弧電壓分別為102.2 V,48.1 V和24.9 V。由于氫等離子體的熱導(dǎo)率很高,所以氫等離子體的溫度下降速率也比氮、氬等離子體快一些。

        圖7 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度沿軸線分布Fig.7 Temperature along the acjet axis

        圖7還給出了發(fā)動(dòng)機(jī)噴管固體區(qū)的溫度分布??梢钥闯?,除了在噴管外壁面一部分熱量以輻射換熱的方式損失外,還有一部分能量從發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上游以導(dǎo)熱的方式損失,所以選取適當(dāng)?shù)纳嫌蝹鳠徇吔鐥l件是十分重要的。在噴管內(nèi)部存在較大的徑向溫度梯度,氣體溫度沿徑向逐漸降低到噴管壁面溫度。由于大部分氣體是通過壁面附近的溫度較低的區(qū)域通過約束通道,所以發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的壁面溫度條件對于內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)甚至發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要的影響。為了更加符合實(shí)際情況,我們在計(jì)算中采用的方法就是將噴管的整個(gè)固體區(qū)包含在計(jì)算域內(nèi),這樣就避免了由于假定噴管內(nèi)壁面溫度分布而帶來的任意性。從計(jì)算結(jié)果還可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)的上游,噴管壁面的溫度是高于氣體入口溫度的,因而此時(shí)噴管對進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的工作氣體有加熱作用,而在發(fā)動(dòng)機(jī)的下游,氣體區(qū)溫度是高于噴管壁面溫度,所以在這個(gè)區(qū)域,傳熱的方向是由氣體區(qū)向噴管固體區(qū)。

        圖8為出口截面處溫度的徑向分布,可以看出,氬氣的最高溫度不是出現(xiàn)在中心處,即其溫度徑向分布不是由中心沿徑向單調(diào)遞減,這個(gè)結(jié)果目前尚未得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在文獻(xiàn)[27]進(jìn)行的以氦氣為工作氣體的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)中也觀測到類似現(xiàn)象,推測是由于氣體中心膨脹較為充分而導(dǎo)致溫度下降速度較快而造成的。

        圖8 出口截面處溫度徑向分布Fig.8 Temperature at the arcjet exit

        3.3 組分?jǐn)U散過程

        如果不考慮反混合情形,在1 atm情形下氮?dú)浠旌衔铮?∶2)中各種組分摩爾濃度隨溫度的變化情況如圖9所示。從圖中可以看出,在低溫情形只有氮?dú)夂蜌錃夥肿哟嬖?,溫度升高?500 K左右,氫氣分子開始解離,此時(shí)氫組分的摩爾濃度開始增加,相應(yīng)地,氮組分濃度開始下降,這種情況一直持續(xù)到5000 K左右,此時(shí)氮?dú)忾_始解離,氮組分的摩爾濃度從最低值逐漸增加,相應(yīng)地,氫組分的摩爾濃度從最大值逐漸下降,在10 000 K左右恢復(fù)到氮?dú)浔壤?∶2的情形。值得注意的是,在10 000 K左右氫原子和氮原子幾乎同時(shí)開始電離,由于電離而引起的氫組分和氮組分的摩爾濃度的變化基本抵消,所以兩種組分摩爾濃度在10 000 K以上變化不大。在電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氮?dú)浠旌衔锏臏囟茸兓瘏^(qū)間在500 K~25 000 K左右,所以在此溫度區(qū)間的各組分摩爾分?jǐn)?shù)的變化必然引起濃度梯度的存在,因而導(dǎo)致由于濃度梯度引起的擴(kuò)散。如果摩爾濃度梯度的產(chǎn)生是由于組分的解離引起,那么擴(kuò)散會驅(qū)動(dòng)解離組分由當(dāng)?shù)叵蛲鈹U(kuò)散,導(dǎo)致當(dāng)?shù)亟怆x組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。除了濃度梯度引起的擴(kuò)散外,在氮?dú)浠旌衔锏碾娀〖訜岚l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),壓力梯度驅(qū)動(dòng)氫組分由壓力較高區(qū)域向壓力較低區(qū)域擴(kuò)散,而溫度梯度引起擴(kuò)散的方向則取決于溫度擴(kuò)散系數(shù)的方向。

        圖9 氮?dú)?∶2混合物中各組分摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度變化Fig.9 The mole fraction of each component in nitrogen and hydrogen 1∶2 mixture varies with temperature

        工作電流為10 A時(shí),以氮?dú)浠旌衔?∶2模擬肼作為工作氣體的電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布(上半平面)和對應(yīng)的溫度分布(下半平面)如圖10所示,入口處氫組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.125,壓力為2.5 atm。從圖中可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)約束通道內(nèi)的高溫區(qū)對應(yīng)著氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域,這是由于反混合擴(kuò)散引起的。對應(yīng)圖8,對于氮?dú)浠旌衔飦碇v,兩種氣體組分的解離會引起混合物中摩爾分?jǐn)?shù)的變化,氫的解離會驅(qū)使氫組分同時(shí)向高溫區(qū)和低溫區(qū)擴(kuò)散,由于氫組分的擴(kuò)散速度快,所以在高溫區(qū),氫組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。氮、氫原子各自電離的溫度區(qū)間相差不大,所以電離對摩爾分?jǐn)?shù)的影響較小,這一點(diǎn)與Murphy

        討論的氬氦自由燃燒電弧中的反混合過程中,由于氬、氦組分電離而引起的摩爾濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散原因是不同的。

        圖10 電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氫組分濃度分布和溫度分布Fig.10 Concentration distribution and temperature distribution ofhydrogen componentsin arcjet

        發(fā)動(dòng)機(jī)軸線上氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)軸向距離的變化如圖11所示。為了分析各種擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)作用對氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的影響,圖中分別給出了綜合考慮各種驅(qū)動(dòng)力、不考慮壓力梯度驅(qū)動(dòng)、僅有摩爾濃度梯度驅(qū)動(dòng)三種情形下,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。從圖中可以看出,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向的變化情況非常復(fù)雜。首先氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在約束通道內(nèi)達(dá)到第一個(gè)峰值,這是由于氫原子解離導(dǎo)致的摩爾濃度變化引起的擴(kuò)散和熱擴(kuò)散的作用共同引起的;從圖中幾條曲線的比較可以看出,在約束通道內(nèi)熱擴(kuò)散的作用和摩爾濃度梯度引起的擴(kuò)散方向相同,壓力梯度的影響很小。離開約束通道后,隨著軸向距離的增加,氣體的溫度不斷下降,相應(yīng)地,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,在軸向距離為7 mm處,氫組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)又出現(xiàn)了第二個(gè)峰值,這個(gè)峰值產(chǎn)生的原因是由于在此處對應(yīng)的溫度范圍,溫度擴(kuò)散系數(shù)由正變負(fù)導(dǎo)致的;最后,在軸向距離9 mm左右出現(xiàn)了氫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的第三個(gè)峰值,注意到此時(shí)對應(yīng)的氣體溫度為2000 K左右,正好對應(yīng)氫組分復(fù)合的溫度,因此,此峰值的產(chǎn)生是由于氫原子復(fù)合使摩爾濃度較低,周圍的氫組分向此處擴(kuò)散,導(dǎo)致氫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。非常有趣的是,雖然電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)存在著如此復(fù)雜的擴(kuò)散過程,但是擴(kuò)散過程對于發(fā)動(dòng)機(jī)的宏觀速度的影響較小。

        圖11 氫組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿軸向距離的變化Fig.11 The variation of mass fraction of hydrogen components along the axial distance

        3.4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

        圖12給出了計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。其中(a)和(b)為與肼電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的對比[28-29],(c)和(d)分別為與氫和氬電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的對比[30-31]。從圖中看出本文的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。文獻(xiàn)[32]給出了實(shí)驗(yàn)測得的氮電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù),在質(zhì)量流量為45.4 mg/s,弧電流為10 A時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為0.105 N,功率為550 W。本文采用相同工況計(jì)算得到的結(jié)果為推力0.101 N,功率365 W(不包含鞘層)。遺憾的是文獻(xiàn)[32]沒有給出溫度和速度等參數(shù)沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線或出口的分布情況。

        圖12 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.12 Comparisons between modeling result with experiment results

        4 結(jié)論

        采用基于熱力學(xué)平衡假定的數(shù)值模擬方法,對電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體溫度、速度、馬赫數(shù)以及組分等的分布情況,結(jié)果表明:

        1)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)存在較大的溫度、速度、壓力、組分等參數(shù)的梯度。并且在較大參數(shù)范圍內(nèi),涉及氣體的解離、電離等復(fù)雜物理化學(xué)過程,使得電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流動(dòng)、傳熱以及傳質(zhì)過程非常復(fù)雜。

        2)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體在約束通道內(nèi)由亞聲速加速到超聲速,軸向速度在約束通道出口下游附近達(dá)到最大值,然后隨著軸向距離的增加速度逐漸降低,這種軸向速度分布與傳統(tǒng)縮放噴管內(nèi)擴(kuò)張段內(nèi)超聲速流動(dòng)的分布有所不同。

        3)電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體被加熱主要發(fā)生在陰極下游以及約束段附近,最高溫度出現(xiàn)在陰極尖下游,電流密度較高的地方。在噴管的擴(kuò)張段,由于氣動(dòng)膨脹作用以及焦耳熱的影響逐漸降低,氣體溫度逐漸下降。

        4)由于反混合擴(kuò)散的作用,約束通道內(nèi)高溫區(qū)對應(yīng)著質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域。在約束通道內(nèi)熱擴(kuò)散的作用和摩爾濃度梯度引起的擴(kuò)散方向相同,壓力梯度引起的擴(kuò)散作用較小。

        猜你喜歡
        發(fā)動(dòng)機(jī)
        元征X-431實(shí)測:奔馳發(fā)動(dòng)機(jī)編程
        2015款寶馬525Li行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)熄火
        2012年奔馳S600發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈偶爾點(diǎn)亮
        發(fā)動(dòng)機(jī)空中起動(dòng)包線擴(kuò)展試飛組織與實(shí)施
        RD-180超級火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的興衰
        太空探索(2016年8期)2016-07-10 09:21:58
        奔馳E200車發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈常亮
        奔馳E260冷車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)
        新一代MTU2000發(fā)動(dòng)機(jī)系列
        2013年車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制回顧(下)
        2013年車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制回顧(上)
        中文字幕精品久久久久人妻红杏1 丰满人妻妇伦又伦精品国产 | 公和我做好爽添厨房中文字幕| 少妇白浆高潮无码免费区| 在线观看av国产自拍| 日韩日本国产一区二区| 狂猛欧美激情性xxxx大豆行情| 国产精品免费精品自在线观看| 国产a级午夜毛片| 日本一区二区三区一级免费| 国产精品专区第一页天堂2019| 人妻少妇精品中文字幕av| 精品国产看高清国产毛片| 亚洲精品尤物av在线网站| 亚洲成人av在线蜜桃| 小sao货水好多真紧h无码视频| 中文字幕在线免费| 日本久久精品国产精品| 日本一区二区在线免费视频| 成年免费视频黄网站zxgk| 一级片麻豆| 我的极品小姨在线观看| 97一期涩涩97片久久久久久久 | 日本三级欧美三级人妇视频| 国产精品亚洲ΑV天堂无码| 永久中文字幕av在线免费 | 中国老妇女毛茸茸bbwbabes| 亚洲成a人片在线观看导航| 亚洲av男人的天堂在线| 成人免费看aa片| 日韩在线无| 成人黄网站免费永久在线观看| 国产一区二区三区在线观看完整版| 中年熟妇的大黑p| 亚洲av日韩av一卡二卡| 女优av性天堂网男人天堂| 色偷偷av一区二区三区| 国产v视频| 丝袜美腿诱惑一二三区| 日韩精品无码熟人妻视频| 精品久久久久久中文字幕大豆网 | 国产精品日本一区二区三区在线|