用于等离子体鞘套模拟的级联电弧等离子体射流特性研究

With the development and application of multi-channel cascade arc used for simulations of plasma layer, which has wide application in the study of “blackout” issues surrounding near space hypersonic vehicles, systematical studies on the thermodynamic and chemical non-equilibrium characteristics of flowing argon plasma under sub-atmosphere condition in cascaded arc channel and the argon plasma jet created in medium-pressure chamber will be performed by means of numerical and experimental methods in this project. A self-consistent and unified physical-mathematical model and numerical method used to describe the heat transfer, fluid flow, and other complicated process in a non-equilibrium thermal plasma system is able to be developed, and validated by the experimental diagnostics. Based on the numerical model, the impacts of the discharge current, gas flow rate, pressure of the chamber and number of discharge channels on the size, distributions of electron density and collision frequency of the plasma jet and the simulated plasma sheath are supposed to be analyzed intensively and systematically, and the principles of the influences acted on the plasma sheath will be clarified. There is no doubt that this project would support theoretically and technologically the development of the study on the interaction between plasma sheath and electron-magnetic wave.

本项目以在临近空间高超声速飞行器表面“黑障”问题研究领域有广泛应用前景的多通道级联电弧等离子体鞘套模拟装置的研制和应用为研究背景，采用数值模拟辅以实验测量的方法，系统研究亚大气压条件下以氩气为工作气体的级联电弧发生器内高速流动等离子体，及其产生的中等压力等离子体射流的热力学和化学非平衡特性。发展完善自洽、完整的、用于描述非平衡热等离子传热、流动及其他复杂物理化学过程的物理数学模型及相应的数值模拟方法，并结合实验测量验证模型的可靠性。以此为基础深入系统研究放电电流、气体流量、射流的背景压力以及放电通道数对等离子体射流及等离子体鞘套的尺寸、电子密度分布和碰撞频率分布的影响规律，揭示不同外部参量对等离子体鞘套关键要素的影响机制，为等离子体鞘套与电磁波相互作用的研究提供理论和技术支持。

空天飞行器高速再入大气层阶段的鞘套等离子体的形成是一个复杂的现象. 等离子体鞘套作为黑障问题的源头，对其主要特性的掌握成为解决黑障问题的关键问题。因此，有必要对等离子体鞘套内部特性进行研究，为解决“黑障”问题提供参考。.本工作对高超声速飞行器表面等离子体鞘套部分特性进行数值仿真模拟研究。论文工作在考虑真实气体条件和热化学非平衡条件下建立数值模拟方法，并基于国内外研究进展，编写了相应的计算程序，利用两种模型方法进行计算，开展了高超声速飞行器表面等离子体鞘套的初步研究。.（1）高超声速空天飞行器热化学非平衡流场的数值模拟.分别针对RAM C II飞行器和阿波罗指挥舱这两种飞行器几何外形建立二维轴对称钝锥实验模型，考虑化学反应动力学模型对热化学非平衡流场模拟结果的影响，利用热力学模型、化学反应动力学模型进行仿真和分析研究。针对模拟结果，考虑不同飞行高度对温度、激波距离、鞘套内部电子数密度及电子与中性粒子碰撞的影响，对等离子体鞘套特性进行了比较详尽的分析。.（2）针对多组分多反应条件下高超声速空天飞行器热化学非平衡流场的数值模拟.在考虑热力学、化学反应动力学效应的二维轴对称模型基础上，建立多组分多反应的数值仿真模型。然后针对不同飞行条件，给出电子数密度、电子与中性粒子碰撞的分布云图，并针对不同温度、压强、流速等参数分析不同飞行高度、同一飞行高度不同壁面位置的两种重要参数的分布规律。.(3)三维有攻角情况下高超声速空天飞行器热化学非平衡流场的数值模拟.在二维模型的基础上初步搭建简单的三维程序，通过数值模拟的方式得出仿真云图，进而分析比较有无攻角情况下的鞘套内部特性。