航空航天

航空航天領域等離子體仿真

Plasma Simulation in Aerospace

 

等離子體的應用主要包括:電推進器放電仿真、航天器充電效應仿真、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控制、稀薄氣體環境下空天飛行器氣動特性仿真、吸氣式進氣道壓縮稀薄氣體仿真等。

 

1. 電推進器仿真

衛星用的霍爾發動機和離子發動機工作在極低的氣壓下,霍爾發動機中存在重要的隨機加熱和粒子軌道效應,而離子發動機的工作則基本上受粒子軌道效應的主導。這種設備的模擬是PIC模擬方法適合應用的領域。

案例 離子推進器仿真

 

原理示意圖和仿真結構圖

 

電子分布

 

Xe+和Xe++離子分布

 

 

2. 高超聲速等離子體鞘套仿真

在高超聲速流動中,會形成復雜的激波和邊界層結構。此外,在大氣中的高超聲速過程還會導致空氣的高溫解離與化學反應,甚至形成等離子體層。專業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,此時化學反應和等離子體形成都會影響飛行器的飛行,此外,由于等離子體的形成,會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. 流動控制仿真

等離子體激勵可以將電場能量轉化為邊界層分子的動量或熱量,改變邊界層的流場特性結構和物理特性,從而抑制邊界層流動分離,使飛行器增升、減阻、提高失速迎角,實現飛行器的流動控制。近年來,將等離子體作為控制流動的手段,進而達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控制具有十分重要的意義。

數值模擬包含等離子激勵器放電仿真(DBD放電)和流場仿真兩個部分。這兩個部分又互相影響,因此等離子體流動控制的數值模擬是一個復雜的過程。

 

等離子體激勵可以將電場能量轉化為邊界層分子的動量或熱量,改變邊界層流場特性,抑制邊界層流動分離,使飛行器增升、減阻、提高失速迎角,實現飛行器的流動控制。大氣壓條件下,NACA0015機翼以1.2馬赫飛行時的狀態,仰角為14度。

             

計算域網格

    

擾動強度                               壓力

 

4 臨近空間飛行器氣動性能3D仿真

1) 模型描述

本例仿真距離地面100km高空,高速飛行器的氣動模型。采用直接蒙特卡洛(DSMCM)算法。仿真區間大小:20m*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,飛船移動速度為5000m/s。模擬飛船飛行迎風面受到的大氣阻力以與氣體的摩擦發熱效果。作對稱剖切,仿真整體模型的1/2。三維建模如下:

  

2) 計算結果

(1)氣體在飛船表面的壓力分布:

 

N 壓強分布                                 O壓強分布

(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

 

 


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