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【6h】

磁控等离子体对航空发动机尾喷管流动传热的影响

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航空发动机尾喷管壁承受来自高温燃气的热负荷，是发动机的高温部件之一，在巡航状态下其红外辐射强度最高。鉴于磁控等离子体具有降低壁面摩擦阻力和对流传热的能力，本文提出运用磁控等离子体隔离高温气体与喷管壁面，从而减少高温气体向壁面的传热量，降低喷管壁面温度，达到减少红外辐射强度的目的。另外喷出的等离子体会继续包裹尾喷流，起到吸收和散射电磁波的作用。本文对喷管内高温气体和磁控等离子体的流动和传热过程以及等离子体包裹尾喷流的流动特性进行了数值模拟。 论文采用诱导磁场方程求解诱导磁场，由安培定律求得诱导电流，从而得到洛仑兹体积力。将反应电磁作用的修正项添加到湍流方程中得到修正的湍流两方程模型，模拟磁场对湍流的影响。运用mixture模型处理高温气体与等离子体的交界面。运用FLUENT程序中的标量输运方程求解器求解诱导磁场方程和修正的湍流方程，并很好地模拟出经典的哈特曼磁流体流动，从而验证了该程序的可靠性。利用该程序研究了哈特曼数对等截面喷管内等离子体和高温气体的速度、温度、体积分数、湍流强度及壁面温度的影响。结果表明磁场能降低高温气体对等离子体的掺混，抑制等离子体的湍流，减少高温气体向壁面的传热量，达到降低壁面温度的目的。随着哈特曼数增加，壁面摩擦系数越小，无量纲速度分布偏离对数律分布的程度越大，喷管壁面温度上升的幅度也越小。当哈特曼数增加到30时，流动的各向异性变得明显。在平行磁场平面内，努塞尔数先随着磁场的增强略有增加，在强磁场作用下又迅速减小；在垂直磁场的平面内，努塞尔数随磁场增强逐步减小。磁场越强，从喷管中喷出的包裹尾喷流的等离子体的体积分数越大，且对应的尾喷流的核心区长度越小。相对无磁场作用时，哈特曼数为50时，壁面温度减小了20.2％，射流核心区长度缩短21.1％。 研究了磁控等离子体对轴对称收缩喷管流动和传热的影响。随着气流在收缩喷管内加速，等离子体被掺混的程度增加，而增强磁场可以提高近壁面处的等离子体体积分数，有效地隔离高温气体和收缩喷管壁面。磁控等离子体减小了壁面摩擦损失，提高了喷管的推力系数。应用1.3T强度磁场时，喷管的推力系数提高了0.74％。将等离子体流量从0.0188 kg/s提高到0.0265 kg/s后，包裹射流的等离子体体积分数提高了24％。

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