● 摘要
电弧加热发动机因其具有高比冲和适宜的推力水平，已在美国等国家广泛应用于卫星的位置保持和姿态调整。电弧加热发动机内部复杂的物理过程和狭小的尺寸限制了我们对其内部物理过程的理解，实验测量发动机内的重要物理参数十分困难。通过数值模拟方法对电弧加热发动机内部过程进行研究，将有助于增进我们对电弧加热发动机内部传热与流动过程的了解。本文采用可求解可压缩流动与传热的全速度SIMPLE算法，对低功率电弧加热发动机内部的传热与流动进行了数值模拟，采用的物理数学模型中，考虑了气体的可压缩效应、依赖于温度和压力的气体物性、洛伦兹力和焦耳热影响，获得了电弧加热发动机内的温度、速度、静压及马赫数分布。模拟结果表明发动机内最高温度出现在阴极端点附近，气体在发动机喷管的上游为亚声速流动，经过约束通道后转变为超声速流动。本文考察了模拟时包含阳极对发动机内传热与流动的影响，结果表明喷管阳极温度影响发动机的推力和比冲，因此考虑阳极壁面与流场间的耦合作用才能准确预测发动机的性能。本文研究了喷管扩张段角度的改变对发动机性能的影响，模拟结果可为发动机的设计与改进提供参考。 本文还研究了不同推进剂对发动机性能的影响，选取氮气、氢气和氩气作为工作气体，在相同工作条件下，通过数值模拟获得了采用三种推进剂时，电弧加热发动机内的温度和速度分布，并将轴线参数分布和出口参数分布进行了比较，计算结果表明，氢气作为工作气体时发动机的比冲最高，流量最小。