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壁面材料对霍尔推力器离子径向流动的影响研究

作　者: 李元庆
导　师: 于达仁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 预鞘层鞘层壁面材料
分类号: V439
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 53次
引　用: 1次
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内容摘要

霍尔推力器是一种广泛应用的电推进装置。其结构简单但是物理过程却十分复杂,目前对其通道之中的物理运行机制还远远没有被人们完全理解。壁面作为霍尔推力器重要部件之一,已经被实验证实其特性对霍尔推力器的性能产生了显著的影响。但是实际上等离子体和壁面之间的相互作用机制并没有被人们深入研究。为了研究不同壁面材料对霍尔推力器的性能影响,本文首先建立了等离子体-壁面过渡模型用于分析不同参数对等离子体和壁面之间相互作用的影响。为了便于理论分析,模型忽略了除壁面法向以外的其他所有方向等离子体的不均匀性。采用两种模型分别实现模拟,分别为预鞘层鞘层模型和整体模型。预鞘层鞘层模型将过渡区域分为预鞘层和鞘层区域分别建模,通过边界条件将两个区域连接;整体模型则将过渡区域作为整体模拟。结果显示两种模型的计算结果一致。等离子体-壁面模型对等离子体和壁面之间的相互作用具有理论指导意义。为了验证等离子体-壁面模型的理论分析结果在霍尔推力器之中应用的正确性并从实际的运行状况对霍尔推力器进行性能分析,本文考虑轴向和径向建立了霍尔推力器的二维模型,模型对霍尔推力器之中的预鞘层建模,将电子和离子都看作流体,并假设磁场仅有沿着径向的分量,通过计算流体力学方法完成了平台的搭建,最终采用牛顿迭代法获得稳态解。通过等离子体-壁面模型分析不同壁面材料对等离子-壁面过渡区域的影响并考虑霍尔推力器的实际情况,分析得到预鞘层电势降、鞘层电势降以及离子的壁面流量都随着二次电子出射系数的增加而减少。从此出发,通过计算和理论分析得出,随着二次电子发射系数的增加,等离子体对壁面的腐蚀将减少,羽流发散角将减小并且霍尔推力器效率也将提高。这些计算结果和理论分析结果都和实验获得的结果保持一致。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
符号表  7-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 国外研究现状  13-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
  1.3 论文研究内容  16-18
第2章等离子体-壁面过渡模型及数值仿真  18-41
  2.1 引言  18
  2.2 模型建立的基本原理  18-20
  2.3 预鞘层鞘层模型  20-24
    2.3.1 预鞘层模型  20-21
    2.3.2 鞘层模型  21-23
    2.3.3 预鞘层和鞘层的连续边界实现方法  23-24
  2.4 整体模型  24-25
  2.5 模型的求解及边界条件  25-31
    2.5.1 模型的简化  25-27
    2.5.2 模型的边界条件  27-30
    2.5.3 模型的求解方法  30-31
  2.6 鞘层预鞘层模型和整体模型计算结果及对比  31-35
  2.7 过渡区域影响因素分析  35-39
    2.7.1 壁面材料对鞘层影响解析  35-37
    2.7.2 碰撞频率对预鞘层的影响  37-39
    2.7.3 二次电子出射能量对鞘层的影响  39
  2.8 本章小结  39-41
第3章霍尔推力器二维建模  41-53
  3.1 引言  41
  3.2 模型及其数学描述  41-45
    3.2.1 模型的基本假设  41-42
    3.2.2 模型的基本方程  42-44
    3.2.3 边界条件  44-45
  3.3 模型的数值求解  45-46
  3.4 数值模拟计算结果  46-51
  3.5 不同模型计算结果的对比  51-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章壁面材料对霍尔推力器性能影响研究  53-66
  4.1 引言  53
  4.2 离子径向运动形成机理  53-55
  4.3 壁面材料对预鞘层电势降以及径向离子通量的影响  55-60
  4.4 壁面材料与离子的壁面腐蚀分析  60-62
  4.5 壁面材料与发动机性能分析  62-65
    4.5.1 不同壁面材料的羽流发散角  63
    4.5.2 不同壁面材料下霍尔推力器的效率  63-65
  4.6 本章小结  65-66
结论  66-68
参考文献  68-75
附录一霍尔推力器模型无量纲化参数表  75-76
攻读学位期间发表的学术论文  76-78
致谢  78

壁面材料对霍尔推力器离子径向流动的影响研究

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