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霍尔推力器传导沟槽对近壁传导影响的粒子模拟

作　者: 贾景卫
导　师: 闫国军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 霍尔推力器 粒子模拟 近壁传导
分类号: V439.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


霍尔推力器是一种通过电场加速离子产生推力的电推进装置,电场的分布直接影响推力器的效率、比冲等性能参数。推力器在工作中采用恒压源供电时,通道内的电导率分布直接决定了电场的分布。因此采用各种手段影响电导,构造合理的电导率分布,成为提高推力器性能的有效手段,也是近年来国内外电推进装置研究的一个热点问题。霍尔推力器通道内比较理想的电导率分布为:近阳极区和电离区电导率较大,而对离子加速起重要作用的加速区则具有较小电导率。基于该规律,采用在近阳极区和电离区通道壁面增加矩形沟槽的方法,可以相对减小加速区电导率,以达到合理优化通道内电势分布的目的。本文采用PIC粒子模拟的方法对平板和矩形沟槽鞘层的近壁传导特性进行模拟计算,给出了沟槽尺寸、电磁场和壁面材料等参数对于近壁传导的影响,为采用增加沟槽方法构造合理通道电势分布提供了理论基础,主要内容为:首先,建立了PIC计算模型。分别对平板和矩形沟槽鞘层建立模型,确定了模型边界条件,给出了绝缘壁面上二次电子发射模型和二次电子的初速度处理方法。其次,在模型的基础上计算了平板和矩形沟槽鞘层的特性。提出了模拟过程中发现的PIC方法稳定性问题,通过引入控制理论思想对PIC方法的稳定性进行了分析,并提出了修正算法,保证了计算的稳定性。然后研究了入射电子温度、绝缘壁面材料、离子流入射强度等参数对平板鞘层内粒子密度、电势、电子温度空间分布的影响;矩形沟槽鞘层模型则主要模拟了沟槽的几何尺寸对计算区域内粒子密度、电势、电子温度分布的影响。最后,在外加径向磁场和轴向电场的条件下,模拟计算了矩形沟槽鞘层的近壁传导特性。研究了沟槽几何尺寸、电场、磁场、壁面材料等对粒子密度、电势、电子温度的影响规律,并且统计出计算区域传导的电流,得到了各个对传导特性的影响曲线。最后定量研究了沟槽对平板鞘层传导能力的增强,模拟结果表明增大沟槽深度、增大轴向电场、增加绝缘壁面发射的二次电子都会增加近壁传导电流,增加沟槽间距和增大径向磁场则会减小近壁传导电流,随着沟槽的宽度的变化传导电流出现极大值。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 课题的背景及研究意义  9-13
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 研究背景及意义  9-13
  1.2 国内外研究现状  13-18
    1.2.1 电子传导机制研究简单历程  13-15
    1.2.2 通道壁面形貌影响电子近壁传导的研究现状  15-18
  1.3 本文的主要研究内容  18-20
第2章 PIC粒子模拟模型的建立  20-33
  2.1 引言  20
  2.2 PIC粒子模拟方法的基本计算过程  20-28
    2.2.1 PIC方法的基本循环  20-21
    2.2.2 等离子体的初始化  21-23
    2.2.3 云方程  23-24
    2.2.4 单粒子运动处理  24-25
    2.2.5 泊松方程的求解  25-26
    2.2.6 PIC模拟加速计算方法  26-28
  2.3 计算模型的建立  28-30
    2.3.1 平板鞘层模型的建立  28
    2.3.2 矩形沟槽鞘层模型的建立  28-29
    2.3.3 模型边界条件的处理  29-30
  2.4 绝缘壁面二次电子发射处理  30-32
  2.5 本章小节  32-33
第3章 PIC稳定性分析及鞘层模拟  33-53
  3.1 引言  33
  3.2 PIC模拟稳定性分析  33-39
    3.2.1 稳定性问题的提出  33-35
    3.2.2 运用控制理论对稳定性问题的分析  35-39
  3.3 PIC模拟平板鞘层  39-45
    3.3.1 入射电子温度对平板鞘层的影响  39-41
    3.3.2 二次电子发射系数对平板鞘层的影响  41-43
    3.3.3 离子流入射强度对平板鞘层的影响  43-45
  3.4 PIC模拟矩形沟槽鞘层  45-52
    3.4.1 沟槽深度对矩形沟槽鞘层的影响  45-47
    3.4.2 沟槽宽度对矩形沟槽鞘层的影响  47-50
    3.4.3 沟槽间距对矩形沟槽鞘层的影响  50-52
  3.5 本章小结  52-53
第4章 PIC模拟沟槽对近壁传导的影响  53-77
  4.1 引言  53
  4.2 沟槽几何尺寸对近壁传导的影响  53-63
    4.2.1 沟槽深度对近壁传导的影响  53-57
    4.2.2 沟槽宽度对近壁传导的影响  57-60
    4.2.3 沟槽间距对近壁传导的影响  60-63
  4.3 电磁场对近壁传导的影响  63-69
    4.3.1 电场变化对近壁传导的影响  64-66
    4.3.2 磁场变化对近壁传导的影响  66-69
  4.4 矩形沟槽在不同壁面材料下增强近壁传导的特性  69-74
  4.5 矩形沟槽对近壁传导的增强作用分析  74-75
  4.6 本章小结  75-77
结论  77-79
参考文献  79-82
攻读学位期间发表的学术论文  82-84
致谢  84

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 推进系统（发动机、推进器） > 特种发动机 > 等离子发动机
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