● 摘要
采用数值模拟的方法对美国航空航天局刘易斯中心1kw级氢电弧加热推力器进行了研究，研究了发动机内等离子体流动、传热和能量转换的影响。推力器内部流动区域和阳极壁面被包含在计算域内，以便更好研究气体流动区域和固体壁面之间的传热。使用基于压力的Fluent求解器以及SIMPLE算法来求解控制方程组，考虑了气体的可压缩性、焦耳热和洛伦兹力的影响，编写UDF程序考虑了依赖于温度和压力的粘性和电导率的影响。 模拟结果表明，相比与其它推进剂，采用氢作为推进剂时，弧电压、推力器出口轴向速度以及比冲都增加，在推力器的出口温度显著升高。推进剂主要在阴极尖和约束通道被加热，等离子体最高温度出现在阴极尖，在约束通道气体由亚声速转变为超声速，同时气体焓通量迅速升高达到最大值，在扩张段由于内能转化为动能，焓通量迅速下降。本文中电弧加热发动机的效率因不同质量流量和电流的影响，在32%-46%之间变化。 由于向阳极壁面传热，在喷管中可以发现大的能力损失。本文计算了典型工况下推力器的温度、速度、静压和马赫数分布。研究发现在低功率电弧推力器内部洛伦兹力相比于推力小很多。对NASA 1kW级氢电弧推力器的模拟结果与实验数据符合良好.