無(wú)加熱器空心陰極內(nèi)部流動(dòng)與傳熱計(jì)算.pdf

1、空心陰極是電火箭推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件，為規(guī)避其加熱器失效帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)加熱器新型空心陰極近些年被提出。但對(duì)這種新型空心陰極的內(nèi)部流動(dòng)以及傳熱過(guò)程尚處于研究不足狀態(tài)，因此，本文對(duì)其流場(chǎng)與熱場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。
　　在流場(chǎng)的計(jì)算中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)中性粒子電離、等離子體的流動(dòng)以及各粒子與壁面的碰撞過(guò)程的模擬，采用了PIC/DSMC混合算法，使用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼，計(jì)算出發(fā)射體表面的各項(xiàng)熱流密度值，并將其設(shè)定為熱場(chǎng)計(jì)算的初始條件；在熱場(chǎng)

2、的計(jì)算中，采用MC方法獲得陰極所有表面單元之間的輻射傳遞系數(shù)，同時(shí)對(duì)陰極各個(gè)組件進(jìn)行導(dǎo)熱與表面輻射換熱過(guò)程的耦合求解，獲得溫度場(chǎng)分布，接著以溫度場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)更新流場(chǎng)計(jì)算的初始條件進(jìn)行反復(fù)迭代計(jì)算，直至收斂。該算法實(shí)現(xiàn)了陰極流場(chǎng)與熱場(chǎng)間的反饋計(jì)算。為驗(yàn)證模型與代碼的計(jì)算精度，利用新型陰極工程樣機(jī)開(kāi)展了真空艙內(nèi)的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比表明本文的模型及計(jì)算代碼基本可信，各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均在2％以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，考察了陰極各個(gè)關(guān)鍵尺寸（

3、見(jiàn)圖3-2）以及氣體流量對(duì)等離子體流場(chǎng)的參數(shù)以及陰極熱場(chǎng)溫度分布的依變關(guān)系，進(jìn)而得到新型陰極優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思路。主要結(jié)論如下：
　?。?）關(guān)鍵尺寸對(duì)陰極發(fā)射體表面的平均熱流密度具有重要影響。增大陰極管與觸持級(jí)的間距會(huì)降低該參數(shù)，增大陰極管孔半徑（當(dāng)b<0.075cm時(shí)）會(huì)降低該參數(shù)，增大陰極管孔半徑（當(dāng)b>0.075cm時(shí)）會(huì)升高該參數(shù)，增大觸持級(jí)孔半徑會(huì)降低該參數(shù)；
　　（2）增大氣體流量會(huì)升高Xe轟擊發(fā)射體表面的平均熱流