● 摘要
电弧加热发动机内非平衡特性是与工作气体流动与传热密切耦合的，在特定结构形式下由放电过程中的各种物理过程所决定的。对此进行深入研究有助于加深我们对影响电弧加热发动机效率与寿命等关键技术问题的认识。在文献研究的基础上，本文对以氢和氩低功率电弧加热发动机为主要研究对象，采用热力学和化学非平衡模型和方法进行了系统的数值模拟研究，获得了一些新的结果。
根据发动机内电弧形成和演化过程中化学动力学过程的特点，基于合理的准则和方法选择和确定了化学非平衡数值模拟中需要包含的等离子体组分，在满足自洽条件的基础上发展了相应的化学动力学模型。根据电弧加热发动机内流动与传热过程的特点，确定了电弧加热发动机内热边界层和流动边界层的定义方法，为进一步分析奠定基础。
数值模拟结果表明在氢电弧加热发动机流动边界层内气体的主要成分是基态氢分子，在电弧边缘区域，振动态分子（v = 1）含量最多可达到20%，而氢原子主要分布在约束通道轴线周围和扩张段上游轴线处。电子与分子之间的非弹性碰撞能量交换是阳极壁面附近主要的能量交换形式。在电弧边缘区域振动态分子的存在促进了重粒子碰撞解离；在阳极附近的电弧贴附区，电子冲击振动态分子解离是主要的离解反应。
低、中等功率发动机的数值模拟结果比较表明，中等功率电弧加热发动机边界层厚度与低功率电弧加热发动机相近，边界层的边界都位于无因次半径为0.5的位置。无论是低功率，还是中等功率电弧加热发动机，中心电弧区和壁面电弧贴附处的电离区是无法连通的。虽然在二者之间存在电流的通道，但是电弧中心的电子需要通过对流和扩散的协助才能通过电弧边缘的低温区达到阳极。相对低功率氢电弧加热发动机，中等功率发动机由于等离子体整体温度较高，电弧中心区域较宽，所以与阳极壁面处的电离区中间的空隙较小。
本文还对以氩气为工作气体的低功率电弧加热发动机进行模拟研究，分析了发动机内部不同区域的热力学和化学非平衡效应，以及激发态氩原子、氩分子离子对电弧贴附和化学反应过程的影响。结果表明，激发态氩原子和氩分子离子含量虽然很少，但是分别对电离和复合过程起到了很重要的影响。