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霍尔推力器电子运动行为的数值模拟

作　者: 刘辉
导　师: 于达仁；刘金远
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 粒子模拟近壁传导磁镜效应磁场梯度点火过程缓冲区霍尔推力器
分类号: V439.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 126次
引　用: 7次
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内容摘要

霍尔推力器具有高效率、高比冲、长寿命、高可靠性等优点,目前被广泛地应用作为卫星推进装置。但是由于其内部物理过程的复杂性,人们对其内部机理还不是很清楚,限制了推力器性能的进一步提高。霍尔推力器通过磁场的设计来控制电子的运动,间接地对推力器内原子的电离以及离子的加速过程产生影响。因此电子是霍尔推力器的直接可控因素。为了深入理解推力器的内部机理,需要首先掌握电子在推力器内的运动过程,以及电子对推力器性能的影响规律。文章采用Particle in cell(PIC)粒子模拟方法对推力器内部电子的运动行为进行了模拟。在模拟过程中考虑了电子和鞘层以及磁场的相互作用等因素造成的电子运动行为的特殊性。文章首先对PIC粒子模拟方法的建模过程进行了详细地描述。由于计算量的原因,目前PIC方法不能够对真实的霍尔推力器进行模拟,需要进行一些简化。文中对目前常用的简化方法进行了论述,在此基础上,提出了新的简化方法,保证了计算的速度和准确性。同时在模拟过程中发现了PIC方法的稳定性问题,通过控制理论思想对PIC方法的稳定性进行了分析,提出了修正算法,保证了计算的稳定性。电子对推力器性能的影响主要是通过电子传导来实现的。因此文中采用PIC方法,首先围绕霍尔推力器实际运行工况下的壁面和磁场条件对电子近壁传导的影响规律开展了相关研究工作。为了减小离子羽流发散角,霍尔推力器内普遍采用聚焦磁场位形来减小羽流发散角。研究发现磁聚焦位型会产生磁镜效应,阻碍电子向壁面运动,从而影响近壁传导。之后,针对壁面沟槽形貌对电子近壁传导的增强效应进行了模拟。发现了沟槽的宽度存在最优值,使近壁传导电流最大。同时研究过程中发现,壁面划沟会造成周向鞘层的不对称性,这一发现可以用于解释霍尔推力器内部的反常腐蚀现象。霍尔推力器内磁场的正梯度是普遍采用的磁场设计准则。文中对电子在绕磁力线回旋过程中由于磁场梯度产生的电子回旋效应进行了分析和模拟。发现了磁场梯度对电子迁移率的影响规律。在此基础上,采用PIC粒子模拟方法分析了磁场梯度对推力器内等离子体参数的影响,发现磁场梯度会通过影响电子运动行为间接地影响等离子体的参数分布和推力器性能,计算结果和实验结果具有相同的规律。最后,在对电子微观行为进行研究的基础上。将电子近壁传导以及电子回旋效应的研究结果成功应用于对推力器宏观特性进行的模拟。在文中对推力器的点火过程以及缓冲区预电离过程进行了模拟。发现了推力器预电离过程的电流峰值,模拟结果和实验结果吻合。提出了提高缓冲区预电离率的设计思路,为推力器的设计和优化提供了参考。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
符号表  7-16
第1章绪论  16-35
  1.1 课题背景及研究意义  16-18
    1.1.1 课题来源  16
    1.1.2 研究背景及意义  16-18
  1.2 霍尔推力器性能的主要影响因素  18-21
    1.2.1 阴极对推力器性能的影响  18-19
    1.2.2 磁场对推力器性能的影响  19
    1.2.3 壁面条件对推力器性能的影响  19-20
    1.2.4 工质对推力器性能的影响  20-21
  1.3 电子物理过程研究的重要意义  21-27
    1.3.1 电子是霍尔推力器的直接可控因素  21-24
    1.3.2 电子物理过程的特殊性  24-27
  1.4 霍尔推力器数值模拟研究  27-33
    1.4.1 霍尔推力器数值模拟的主要研究方法  28-29
    1.4.2 流体模拟研究现状  29-30
    1.4.3 粒子模拟研究现状  30-32
    1.4.4 霍尔推力器粒子模拟的必要性  32-33
  1.5 论文的主要内容和章节安排  33-35
第2章粒子模拟模型的建立及分析  35-70
  2.1 PIC粒子模拟方法的基本计算过程  35-46
    2.1.1 初始粒子的布置  36-37
    2.1.2 云方程  37-38
    2.1.3 粒子推动（Boris方法）  38-40
    2.1.4 粒子间的碰撞  40-43
    2.1.5 泊松方程的求解  43-46
  2.2 霍尔推力器PIC模拟的特殊问题  46-62
    2.2.1 边界条件  46-50
    2.2.2 热化电势假设  50-52
    2.2.3 原子变权重方法  52-53
    2.2.4 波姆反常传导模型  53-54
    2.2.5 模型的简化  54-60
    2.2.6 流体方程对原子的描述  60-62
  2.3 PIC稳定性分析  62-68
    2.3.1 稳定性问题的提出  62-64
    2.3.2 控制理论对稳定性问题的分析  64-68
  2.4 程序流程  68-69
  2.5 本章小结  69-70
第3章电子近壁传导问题研究  70-97
  3.1 引言  70
  3.2 磁镜效应对电子近壁传导的影响研究  70-85
    3.2.1 研究背景  70-72
    3.2.2 计算模型  72-74
    3.2.3 内壁面磁镜效应研究  74-79
    3.2.4 环形通道效应对电子迁移率的影响  79-83
    3.2.5 电子迁移率的二维分布  83-85
  3.3 壁面宏观形貌对电子近壁传导的影响  85-95
    3.3.1 研究背景  85-86
    3.3.2 计算模型  86-89
    3.3.3 沟槽深度对电势分布的影响  89-90
    3.3.4 霍尔漂移对鞘层电势分布的影响  90-91
    3.3.5 不同沟槽情况下的近壁传导  91-92
    3.3.6 壁面宏观形貌对反常腐蚀研究的重要意义  92-95
  3.4 本章小结  95-97
第4章电子回旋效应研究  97-112
  4.1 引言  97
  4.2 轴向磁场梯度对电子迁移率的影响  97-104
    4.2.1 计算模型  98-99
    4.2.2 磁场梯度对电子传导的影响  99-102
    4.2.3 电子有限拉莫尔半径效应  102-104
  4.3 轴向梯度对等离子体参数分布的影响  104-110
    4.3.1 计算模型  104-105
    4.3.2 计算结果及分析  105-110
  4.4 本章小结  110-112
第5章推力器宏观现象的模拟  112-133
  5.1 引言  112
  5.2 推力器点火过程  112-120
    5.2.1 点火过程的物理问题  112-113
    5.2.2 计算模型  113-115
    5.2.3 点火过程参数的演化过程  115-118
    5.2.4 工作参数对电流峰值的影响  118-120
  5.3 缓冲区预电离研究  120-131
    5.3.1 缓冲区内的主要物理过程  120
    5.3.2 缓冲区预电离过程  120-121
    5.3.3 提高预电离的方式  121-122
    5.3.4 计算模型  122-124
    5.3.5 附加电压对预电离率的影响  124-128
    5.3.6 磁场的影响  128-131
  5.4 本章小结  131-133
结论  133-135
参考文献  135-147
攻读学位期间发表的学术论文及其它成果  147-150
致谢  150-151
个人简历  151

霍尔推力器电子运动行为的数值模拟

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