基于超级计算机云计算的感应耦合等离子加热器喷管结构设计方法

基于超级计算机云计算的感应耦合等离子加热器喷管结构设计方法一、总体设计思路感应耦合等离子体加热器产生的气流通常是亚声速状态 ,在进行飞行器热防护材料烧蚀试验时，其产生的高温高焓值气流的热流量密度过大，不能正确模拟飞行器再入地球大气层时的 飞行环境，因此我们 通过 在加热器出口处加装喷管增强气流的扩散效应减小气流的热流量密度，从而达到有效、自如地控制等离子体气流热流量密度的目的 。该项目旨在优化 设计 小功率大直径感应耦合等离子加热器超声速喷管的结构。通过运用 流体力学、等离子体物理等理论知识设计 超声速喷管结构，通过编制计算机程序 利用 天河二号超级计算机云计算平台对喷管结构进行优化设计和理论验证。 本项目基于超级计算机云计算平台所提出的理论设计方法和高精度数值算法在感应耦合等离子体源的主动控制和优化设计方面具有很好的应用前景。二、项目背景及意义：由于感应等离子体技术它具有无电极污染，温度均匀，弧区大，能提供纯净热源 ，工质不受限制等特点。在 航空航天、 冶金、化工等工业领域中有着巨大的应用前景 。因为过去对能够稳定并控制热等离子体流的某些方法和装置，以及对等离子体动力学进行了卓有成效的研究，所以促使这个新方向得到了蓬勃的发展。感应等离子体不同于直流或交流等离子体的一个特点是，当等离子体电导率小时，它们的电流 -电压特性是相同的，具有负特性，当电流和电导率增加到某一程度。由于趋肤效应而使等离子体电流 -电压特性呈正特性，所以这种等离子体自然是稳定的。感应耦合等离子体加热器产生的气流通常是亚声速状态 ,在进行飞行器热防护材料烧蚀试验时，其产生的高温高焓值气流的热流量密度过大，通过在 其 出口处加装喷管 ，来达到 增强 气流扩散、 减小气流热流量密度 的目的 。 本研究所设计的喷管结构如图 1所示。

ρρuiEρsErotEvibEe¿righ¿¿¿[¿][¿][¿][¿][¿][¿]¿Q=¿¿¿,ρujρuiuj+δijp(E+p)ujρsujErotujEvibujEeuj¿righ¿¿¿[¿][¿][¿][¿][¿][¿]¿F=¿¿¿ ,Fυ=[0τijqj+ρ∑s=1nshsDs∂Xs∂xj+uiτijρDs∂Xs∂xjqrot,j+ρ∑s=Merot,sDs∂Xs∂xjqvib,j+ρ∑s=Mevib,sDs∂Xs∂xjqe,j+ρheDe∂Xe∂xj−peuj] ,0FLi+GiSjoule˙ωsSint,rotSint,vibSjoule+Sint,e¿righ¿¿¿[¿][¿][¿][¿][¿][¿]¿W=¿¿¿ (2)以上矩阵的第一至第七行分别代表流体的总质量守恒、动量守恒、总能量守恒、化学粒子能量守恒、转动能量守恒、振动能量守恒和电子能量守恒。b)电磁场模型：磁矢势和电场强度由如下三个方程控制：∇2AR+ωμ0σAI=0,(3)∇2AI−ωμ0σAR=0(4)E=ER+iEI=−iωA=ωAI−iωAR(5)以上方程组在感应耦合等离子体炬壁面上的边界条件由以下方程进行控制：AR=μ0I2π∑j=1n√yjy0G(kj)+μ0ω2π∑p=1CV√ypy0σAI,pSpG(kp),(6)