航空航天領(lǐng)域等離子體仿真

Plasma Simulation in Aerospace

等離子體的應(yīng)用主要包括：電推進(jìn)器放電仿真、航天器充電效應(yīng)仿真、返回艙再入等離子體鞘套和黑障仿真、基于等離子體的流動(dòng)控制、稀薄氣體環(huán)境下空天飛行器氣動(dòng)特性仿真、吸氣式進(jìn)氣道壓縮稀薄氣體仿真等。

1. 電推進(jìn)器仿真

衛(wèi)星用的霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)和離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作在極低的氣壓下，霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)中存在重要的隨機(jī)加熱和粒子軌道效應(yīng)，而離子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作則基本上受粒子軌道效應(yīng)的主導(dǎo)。這種設(shè)備的模擬是PIC模擬方法適合應(yīng)用的領(lǐng)域。

案例 離子推進(jìn)器仿真

原理示意圖和仿真結(jié)構(gòu)圖

電子分布

Xe+和Xe++離子分布

2. 高超聲速等離子體鞘套仿真

在高超聲速流動(dòng)中，會(huì)形成復(fù)雜的激波和邊界層結(jié)構(gòu)。此外，在大氣中的高超聲速過程還會(huì)導(dǎo)致空氣的高溫解離與化學(xué)反應(yīng)，甚至形成等離子體層。專業(yè)電磁流體仿真軟件可以用于高超聲速流體模擬，特別是飛行器再入大氣層過程的模擬，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)和等離子體形成都會(huì)影響飛行器的飛行，此外，由于等離子體的形成，會(huì)在飛行器表面形成黑障。

案例 再入過程仿真

 61km高空, 23馬赫(2D)

3. 流動(dòng)控制仿真

等離子體激勵(lì)可以將電場能量轉(zhuǎn)化為邊界層分子的動(dòng)量或熱量，改變邊界層的流場特性結(jié)構(gòu)和物理特性，從而抑制邊界層流動(dòng)分離，使飛行器增升、減阻、提高失速迎角，實(shí)現(xiàn)飛行器的流動(dòng)控制。近年來，將等離子體作為控制流動(dòng)的手段，進(jìn)而達(dá)到增生減阻的研究越來越受到研究人員的重視。所以研究等離子體的流動(dòng)控制具有十分重要的意義。

數(shù)值模擬包含等離子激勵(lì)器放電仿真（DBD放電）和流場仿真兩個(gè)部分。這兩個(gè)部分又互相影響，因此等離子體流動(dòng)控制的數(shù)值模擬是一個(gè)復(fù)雜的過程。

等離子體激勵(lì)可以將電場能量轉(zhuǎn)化為邊界層分子的動(dòng)量或熱量，改變邊界層流場特性，抑制邊界層流動(dòng)分離，使飛行器增升、減阻、提高失速迎角，實(shí)現(xiàn)飛行器的流動(dòng)控制。大氣壓條件下，NACA0015機(jī)翼以1.2馬赫飛行時(shí)的狀態(tài)，仰角為14度。

計(jì)算域網(wǎng)格

擾動(dòng)強(qiáng)度                               壓力波

4 臨近空間飛行器氣動(dòng)性能3D仿真

1） 模型描述

本例仿真距離地面100km高空，高速飛行器的氣動(dòng)模型。采用直接蒙特卡洛（DSMCM）算法。仿真區(qū)間大?。?0m*20m*20m；飛船最大直徑：10m。仿真條件為：N（0.08Pa）和O（0.02Pa）混合氣體，飛船移動(dòng)速度為5000m/s。模擬飛船飛行迎風(fēng)面受到的大氣阻力以與氣體的摩擦發(fā)熱效果。作對(duì)稱剖切，仿真整體模型的1/2。三維建模如下：

2） 計(jì)算結(jié)果

（1）氣體在飛船表面的壓力分布：

N 壓強(qiáng)分布                                 O壓強(qiáng)分布

（2）氣體在飛船表面的溫度分布：

N 溫度分布                                 O溫度分布

（3）氣體在飛船表面的密度分布：

N 密度分布                                 O密度分布