Численное моделирование струи разреженного газа, истекающего из ионно-оптической системы ионного двигателя

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассматривается струя ионизированного разреженного газа, выходящая из ионно-оптической системы прототипа резонаторного ВЧ-ионного двигателя в окружающее пространство с низким фоновым давлением. После ряда предположений истекающая струя в первом приближении заменена на нейтральный разреженный газ, что позволяет охарактеризовать течение, удовлетворяющее гипотезе сплошности потока. Уравнения, описывающие движение сплошной среды, решаются численно с помощью метода Бубнова–Галеркина, применяющегося в динамике разреженного газа. Учтен нестационарный перенос тепла за счет взаимодействия газового потока с локальной областью тепловыделения в зазоре между сеточными элементами ионно-оптической системы. Механизм тепловыделения описывается уравнением теплопроводности, которое решается совместно с уравнениями газовой динамики. Полученные результаты расчетов приводятся в сравнении с экспериментальными данными. С помощью проведенного моделирования удалось получить пространственную структуру потока нейтрального разреженного газа в цилиндрических каналах и микроканалах двигателя. Благодаря сравнению полученной пространственной структуры с реальной термовизуализационной картиной струи можно оценить вклад резонаторного ускорения в общую энергию струи.

Об авторах

Константин Игоревич Жариков

Омский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: freeorchids@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4966-1788
SPIN-код: 9469-0544
Scopus Author ID: 57192074889
ResearcherId: E-9087-2014

кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение»

Россия, Омск

Игорь Сергеевич Вавилов

Омский государственный технический университет

Email: freeorchids@mail.ru
SPIN-код: 3468-6744
Scopus Author ID: 56610211900
ResearcherId: B-2634-2014

кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение»

Россия, Омск

Список литературы

  1. Levchenko I., Xu S., Mazouffre S. [et. al.]. Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion // Phys. Plasmas. 2020. Vol. 27 (2). P. 020601. doi: 10.1063/1.5109141.
  2. Niu X., Liu H., Yu D. An integrative mathematical model of microwave ion thruster for mHz-frequency thrust noise analysis // Chinese Journal of Aeronautics. 2024. Vol. 37 (4). P. 121–136. doi: 10.1016/j.cja.2023.11.015.
  3. Myers R. Overview of major US industrial electric propulsion programs // Proc. of the 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Jul. 11–14 July 2004. Florida, 2004. P. 1–7. doi: 10.2514/6.2004-3331.
  4. Вавилов И. С., Федянин В. В., Ячменев П. С. [и др.]. Теоретико-экспериментальные исследования прототипа резонаторного сверхвысокочастотного ионного двигателя для космических аппаратов // Космическая техника и технологии. 2024. № 2 (45). С. 106–119. EDN: LZSNKM.
  5. Вавилов И. С., Жариков К. И., Ячменев П. С. [и др.]. Калориметрические исследования СВЧ ионного двигателя // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 1. С. 118–127. doi: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127. EDN: UVLBLD.
  6. Kaufman H. R. Technology of electron-bombardment ion thrusters // Advances in Electronics and Electron Physics. Colorado: Academic Press, 1975. Vol. 36. P. 265–373.
  7. Абгарян М. В., Бишаев А. М., Рыков В. А. О моделировании струи разреженной плазмы на основе кинетических уравнений // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2023. Т. 63, № 12. С. 1984–1992. doi: 10.31857/S0044466923120025. EDN: ZVAIWT.
  8. Воронич И. В., Титарев В. А. Численный анализ течения разреженного газа через систему коротких каналов // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2023. Т. 63, № 12. С. 1942–1959. doi: 10.31857/S0044466923120281. EDN: RGYZZW.
  9. Напалков О. Г., Кустова Е. В., Сайфутдинов А. И. Исследование СВЧ-разряда в воздухе на основе расширенной гидродинамической модели // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2023. Т. 24, № 5. С. 1–17. doi: 10.33257/PhChGD.24.5.1063. EDN: LBPRUT.
  10. Шемахин А. Ю., Желтухин В. С., Шемахин Е. Ю. Математическое моделирование ВЧ-разряда пониженного давления с продувом газа в нелокальном приближении: электро- и плазмодинамика // Инженерно-физический журнал. 2021. Т. 94, № 5. С. 1368–1376. EDN: ROXIMJ.
  11. Sharipov F. Numerical simulation of rarefied gas flow through a thin orifice // Journal of Fluid Mechanics. 2004. Vol. 518. P. 35–60. doi: 10.1017/S0022112004000710.
  12. Boyd Iain D. [et. al.]. Particle Simulation of Hall Thruster Plumes in the 12V Vacuum Chamber. IEPC -2005-138 / Proc. of 29 IEPC. Oct. 31 – Nov. 4, 2005. New Jersey, 2005.
  13. Kirichenko A. Ya., Martynyuk S. P., Motornenko A. P. [et. al.]. A spherical microwave discharge induced at atmospheric pressure // Technical Physics Letters. 2002. Vol. 28 (8). P. 645–647. doi: 10.1134/1.1505538.
  14. Шапошников В. А., Гусев А. В., Суханов А. Ю. [и др.]. Математическое моделирование газодинамических и тепловых явлений в процессе плазмохимической конверсии SiCl 4 в СВЧ-разряде // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2013. № 3 (1). С. 159–164. EDN: RAPWUP.
  15. Торопов Г. П., Хартов С. А. Модель распространения струи плазменного двигателя при его испытаниях в вакуумной камере с учетом влияния электрического поля // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18, № 2. С. 83–88. EDN: NTERQZ.
  16. Торопов Г. П., Хартов С. А. Математическая модель распространения струи плазменного ускорителя в объеме вакуумной камеры // Вестник Московского авиационного института. 2008. Т. 15, № 4. С. 16. EDN: JUUGBD.
  17. Кузелев М. В., Поезд А. Д., Рухадзе А. А. [и др.]. Математическое моделирование процессов в плазменном СВЧ-генераторе // Математическое моделирование. 1989. Т. 1, № 11. C. 34–40.
  18. Красовская Л. И., Брич М. А. Моделирование структуры плазменных потоков в трехструйных электродуговых реакторах // Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40, № 3. С. 365–375.
  19. Шарипов Ф. М., Селезнев В. Д. Движение разреженных газов в каналах и микроканалах: моногр. Екатеринбург: УрО РАН, 2008. 230 с. ISBN 5-7691-1968-3.
  20. Вычислительные методы в динамике разреженных газов: сб. ст. / Под ред. В. П. Шидловского. Москва: Мир, 1969. 276 с.
  21. Иванов М. С., Кашковский А. В., Гимельшейн С. Ф., Маркелов Г. Н. Статистическое моделирование разреженных гиперзвуковых течений от свободно-молекулярного до околоконтинуального режимов течения // Теплофизика и аэромеханика. 1997. Т. 4, № 3. С. 251–268.
  22. Sharipov F., Gramani Cumin L. M., Kalempa D. Plane couette flow of binary gaseous mixture in the whole range of the Knudsen number // European Journal of Mechanics – B/Fluids. 2004. Vol. 23 (6). P. 899–906. doi: 10.1016/j.euromechflu.2004.03.002.
  23. Ермаков С. М., Михайлов Г. А. Статистическое моделирование. 2-е изд., доп. Москва: Наука, 1982. 294 с.
  24. Коган М. Н. Динамика разреженного газа: кинетическая теория. Москва: Наука: Глав. ред. физ.-мат. лит-ры, 1967. 440 с.
  25. Белоцерковский О. М. Численное моделирование в механике сплошных сред. Москва: Наука, 1984. 520 с.
  26. Желтухин В. С., Шемахин А. Ю. Расчет газодинамики струй ВЧ-плазмы пониженного давления // Ученые записки Казанского университета. Сер. Физико-математические науки. 2011. Т. 153, № 4. С. 135–142. EDN: OWZGJD.
  27. Kandlikar S. G. Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26 (2–4). P. 389–407. doi: 10.1016/S0894-1777(02)00150-4.
  28. Cheng L., Mewes D. Review of two-phase flow and flow boiling of mixtures in small and mini channels // International Journal of Multiphase Flow. 2006. Vol. 32. P. 183–207. doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2005.10.001.
  29. Thome J. R. Boiling in microchannels: a review of experiment and theory // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2004. Vol. 25 (2). P. 128–139. doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2003.11.005.
  30. Cheng L., Ribatski G., Thome J. R. Two-Phase Flow Patterns and Flow-Pattern Maps: Fundamentals and Applications // Applied Mechanics Reviews. 2008. Vol. 61 (5). P. 050802. doi: 10.1115/1.2955990.
  31. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2 т. Т. 1. Основные положения и общие методы. Москва: Мир, 1991. 504 с.
  32. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. В 10 т. T. 6. Гидродинамика. Москва: Наука. 1986. 736 с.
  33. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса: пер. с англ. Москва: Химия, 1974. 687 с.
  34. Самарский А. А. Теория разностных схем. Москва: Наука, 1977. 656 с.
  35. Adam aigo M. Numerical solution of navier stokes equation using control volume and finite element method // International Journal of Applied Mathematical Research. 2016. Vol. 5 (1). P. 63–68. doi: 10.14419/ijamr.v5i1.5616.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».