陽極層霍爾等離子體加速器內(nèi)的二維磁流體模擬
利用二維磁流體動力學(xué)模型，對我們自行設(shè)計(jì)的圓柱形霍爾等離子體加速器通道內(nèi)的放電等離子體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了通道內(nèi)的電子密度、離子密度等分布。從計(jì)算的結(jié)果看出電子密度和離子密度主要集中在陽極附近，在加速器內(nèi)通道的上游離子的數(shù)密度很快的增加到最大值4×1015/m3，在加速器內(nèi)通道的上游電子的數(shù)密度7×1013/m3，說明離化主要發(fā)生在陽極附近，霍爾等離子體加速器出口處離子流密度的分布是雙峰分布，電勢梯度在陽極附近比較大。通過和PIC 方法計(jì)算的結(jié)果還有試驗(yàn)比較看出大體具有一致性。
從上世紀(jì)70 年代前蘇聯(lián)成功發(fā)射霍爾推器到現(xiàn)在有100 多臺霍爾推進(jìn)器執(zhí)行推進(jìn)任務(wù)并很好的完成了任務(wù)。前蘇聯(lián)霍爾推進(jìn)器的成功發(fā)射激起了各國對霍爾推進(jìn)器的研究熱情，尤其是美國、日本、歐盟和中國。盡管霍爾等離子體加速器內(nèi)的物理過程是相當(dāng)復(fù)雜的，經(jīng)過幾十年的研究現(xiàn)在霍爾加速器技術(shù)已經(jīng)相對成熟�；魻柾屏ζ麟m已得到廣泛應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還主要基于測試試驗(yàn)。目前霍爾推力器的設(shè)計(jì)還存在著提高推進(jìn)效率、降低刻蝕率、提高穩(wěn)定性和壽命等問題。
從1990’開始各國對霍爾推進(jìn)器進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究，希望可以取代高費(fèi)用的試驗(yàn)研究。到目前為止，這方面理論工作已經(jīng)做得很多了， 例如A. I. Morozov 、E.Ahedo and P.Martinez- Cerezo等人研究的一維完全流體模型，模型一般都基于準(zhǔn)中性假設(shè)，把電子、離子和中性粒子都看成流體來處理;G. J. M. Hagelaar 、L.Garrigues、Eduardo Fernandez等人研究的一維或二維瞬時混合模型，在這些模型中，電子輸運(yùn)描述為無碰撞流體，離子、中性粒子輸運(yùn)通過動力學(xué)來描述;最近，J. C. Adam和FrancescoTaccognaa 等人研究了完全動力學(xué)瞬時模型。這些模型基本能夠定性、定量地反映霍爾推進(jìn)器通道內(nèi)部放電等離子體的基本物理過程。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為由于要建一個合理精確的數(shù)值模型來反映復(fù)雜的物理過程是很難的，到現(xiàn)在為止還遠(yuǎn)沒有建立很完善的數(shù)值模型，而國內(nèi)對霍爾推進(jìn)器等離子體理論模擬研究還處于剛起步階段。本文利用二維磁流體動力學(xué)模型，對我們自行設(shè)計(jì)的霍爾等離子體加速器加速通道內(nèi)的放電等離子體進(jìn)行數(shù)值模擬。
二維磁流體動力學(xué)模型
運(yùn)用二維磁流體動力學(xué)模型來模擬推進(jìn)器中的等離子體流，為了簡化僅考慮單電荷離子。一般在霍爾等離子體加速器內(nèi)有兩種機(jī)制：電子密度遠(yuǎn)大于離子密度的真空機(jī)制和準(zhǔn)中性等離子體機(jī)制。模型中的控制方程主要包括電子、離子和中性粒子的動量方程、連續(xù)性方程和電子的能量方程、泊松方程。本文我們考慮的是如圖1所示的區(qū)域。
本文用二維磁流體模型模擬了我們自行設(shè)計(jì)的霍爾等離子體加速器，得到了加速器內(nèi)電子密度、離子密度等分布。從計(jì)算的結(jié)果看出電子密度和離子密度主要集中在陽極附近，在加速器內(nèi)通道的上游離子的數(shù)密度很快的增加到最大值4×1015/m3，在加速器內(nèi)通道的上游電子的數(shù)密度7×1013/m3，說明離化主要發(fā)生在陽極附近，在陽極附近徑向的磁場是占主要的。電子的速度受到磁場的影響，主要匯集在陽極附近�；魻柕入x子體加速器出口處離子流密度的分布是雙峰分布，電勢梯度在陽極附近比較大。
通過和PIC 方法計(jì)算的結(jié)果還有試驗(yàn)比較看出大體具有一致性。分析產(chǎn)生差異的原因：
(1)電子的溫度用的是一維;
(2)離化系數(shù)的確定;
(3)用的是二維模型，沒有考慮霍爾電流效應(yīng)
為了更好的模擬霍爾等離子體加速器內(nèi)的狀態(tài)，在將來的工作中把磁流體模擬成三維模型。通過試驗(yàn)和模擬的結(jié)果對比，對模型和離化系數(shù)加以優(yōu)化。
