题目：电弧加热发动机内传热与流动特性的数值模拟研究

电弧加热发动机是一种典型的电热式推进装置，由于其具有比冲高、推力密度大、羽流扩张角小、结构简单和系统兼容性好等特点，在卫星工程及其它航天任务中有着广泛的应用前景。本文采用数值模拟方法对电弧加热发动机内部复杂的传热与流动过程进行了研究，得到了一些新的、重要的研究结果。 根据电弧加热发动机内部等离子体传热与流动过程的非平衡特性，本文推导了氩等离子体双温度-化学非平衡模型的控制方程组，该模型中包含了电子、基态氩原子、激发态氩原子和一次电离氩离子四种组分，9个典型的化学反应过程，涉及气体组分的激发、退激、电离和复合反应。基于稳态形式的欧姆定律和麦克斯韦方程组推导了以磁感应强度为基本变量的电磁场方程，通过电磁源项将电磁场对等离子体的作用耦合到控制方程组中。 为了减少数值方法本身所引起的误差，本文应用计算流体力学（CFD）中的新技术发展了控制方程组的数值离散方法，推导了贴体坐标系下控制方程组雅克比矩阵的左、右特征向量矩阵和特征值对角矩阵。对流动控制方程组进行求解时，采用Roe格式离散对流项，采用中心差分格式离散耗散项，采用Runge-Kutta四步时间推进格式离散时间项；对电磁场方程和阳极传热控制方程进行求解时，采用中心差分格式进行离散，并应用交替方向隐式迭代法（ADI）求解离散代数方程组。按照上述方法编写了相应的C/C++语言程序，并通过一系列的经典算例来验证该程序的正确性。 采用局域热力学平衡模型对电弧加热发动机进行了数值模拟，模拟结果与文献中报道的实验结果符合良好。分析了电流密度、焦耳热、温度、压强、轴向速度、马赫数等主要物理参数在发动机内的分布以及能量在发动机内的转化与传递过程，研究了不同工况下发动机内部传热与流动状况的变化以及推进剂种类对发动机性能的影响。此外，还比较了低、中功率发动机内部传热流动特性的区别。 约束通道是电弧加热发动机的关键组成部分，对电弧加热发动机的性能和效率有着重要的影响。本文对中等功率电弧加热发动机进行了数值模拟，研究了电流、入口压强/流量、约束通道长度、约束通道半径和工作气体种类等参数变化情况下约束通道内的热壅塞现象，分析了电弧高温区、约束通道内压降的变化及流动的非均匀特性，讨论了发动机的性能和效率与电流、流量、约束通道半径和长度的关系，研究结果可为发动机的设计与性能改进提供参考。 本文还采用双温度化学非平衡模型对以氩气为工作气体的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、电流和气体流量对电弧贴附和化学反应的影响。结果表明，虽然激发态组分在发动机内部浓度较小，但是对于电弧加热发动机内电弧的贴附形态和范围有重要影响。