29 / 2024-08-07 15:30:33

高频感应耦合等离子体射流流场特性分析（AITC 2024+摘要）

地面试验,感应耦合等离子体,数值模拟,实验测量

跨域高效飞行器在以高超音速在临近空间飞行时会在飞行器表面产生一层高焓等离子体，它对飞行器的气动力、气动热以及通信/雷达探测等电磁信号产生重要影响，高频感应耦合等离子体风洞由于其特殊的加热系统能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，是开展等离子体电磁、力、热多物理场地面模拟和测量实验的重要设备，也是研究再入飞行器热防护系统的重要工具，准确获取其流场特性参数信息是进行力热电磁多场耦合等实验研究的前提。本文基于大功率高频感应耦合等离子体风洞（西安电子科技大学临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置），给出了典型圆柱等离子体射流在电源施加功率为130kW-350kW条件下的流场仿真及测量结果。利用数值模拟的方法研究了在旋转进气的前提下，以空气为工作气体的真空室内部流动的物理特性，对射流的速度场和温度场进行了分析，求解了三维可压缩Navier-Stokes（N-S）方程，该方程考虑了空气中的7种组分（N₂、O₂、N、O、NO、NO⁺、e）和18种化学反应，在该过程中采用热源模型描述了加热现象。利用水冷皮托管测量了不同功率下距离喷管出口200-500mm处射流压力分布，同时在考虑热损耗的前提下，利用柱塞式焓探头测量了热流，进一步计算了射流焓值及温度，射流焓值范围为2.661~9.896MJ/kg，在化学热平衡条件下焓值与温度一一对应，从而获取等离子体射流的温度。最终将实验结果与仿真结果进行了对比，验证了数值模拟的有效性，得到了高频感应耦合等离子体射流流场特性的分布规律。结果表明，在130、230、350kW下，射流的最大总压分别为546Pa、759 Pa、924Pa，最大温度分别是2500K、2840K、4170K。垂直于射流喷射方向的总压、温度以及焓值均呈现高斯分布，沿射流喷射方向的总压、温度及焓值呈现衰减趋势，但衰减缓慢。对于低功率状态，由于射流速度相对较低与旋转进气引起的负压区相互补偿，因此静压几乎不随测量位置的变化而变化，随着功率的增加，静压在径向开始呈现高斯分布，沿轴向随着距离的增加逐渐降低。本文的结果为跨域飞行器地面试验提供了重要参考依据。