無加熱器空心陰極內(nèi)部流動與傳熱計算.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的風(fēng)險，無加熱器新型空心陰極近些年被提出。但對這種新型空心陰極的內(nèi)部流動以及傳熱過程尚處于研究不足狀態(tài)，因此，本文對其流場與熱場進(jìn)行了數(shù)值計算。
　　在流場的計算中，為實現(xiàn)對中性粒子電離、等離子體的流動以及各粒子與壁面的碰撞過程的模擬，采用了PIC/DSMC混合算法，使用Fortran語言編寫程序代碼，計算出發(fā)射體表面的各項熱流密度值，并將其設(shè)定為熱場計算的初始條件；在熱場

2、的計算中，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)，同時對陰極各個組件進(jìn)行導(dǎo)熱與表面輻射換熱過程的耦合求解，獲得溫度場分布，接著以溫度場分布的數(shù)據(jù)更新流場計算的初始條件進(jìn)行反復(fù)迭代計算，直至收斂。該算法實現(xiàn)了陰極流場與熱場間的反饋計算。為驗證模型與代碼的計算精度，利用新型陰極工程樣機(jī)開展了真空艙內(nèi)的驗證試驗，試驗與計算數(shù)據(jù)的對比表明本文的模型及計算代碼基本可信，各測點(diǎn)的相對誤差均在2％以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，考察了陰極各個關(guān)鍵尺寸（

3、見圖3-2）以及氣體流量對等離子體流場的參數(shù)以及陰極熱場溫度分布的依變關(guān)系，進(jìn)而得到新型陰極優(yōu)化設(shè)計的基本思路。主要結(jié)論如下：
　　（1）關(guān)鍵尺寸對陰極發(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的間距會降低該參數(shù)，增大陰極管孔半徑（當(dāng)b<0.075cm時）會降低該參數(shù)，增大陰極管孔半徑（當(dāng)b>0.075cm時）會升高該參數(shù)，增大觸持級孔半徑會降低該參數(shù)；
　　（2）增大氣體流量會升高Xe轟擊發(fā)射體表面的平均熱流