激光等离子体相互作用机理与大气吸气式激光推进数值计算研究

论文摘要

本文以大气吸气式激光推进光船为研究对象,采用数值计算方法对激光作用下等离子体吸收波的形成和演化机制与光船工作过程进行了研究。建立了不同条件下的控制方程组,计算了各空气组元的初始密度。对激光推进中热化学非平衡/平衡流的物理化学模型进行比较分析,在热化学非平衡流中选择了Park建立的三温度11组元空气化学反应模型,在热化学平衡流中选择了Gupta建立的高温平衡空气模型,并分析了相应的能量交换模型、输运模型等。分析了有限差分NND格式和有限体积NND格式,讨论了热化学非平衡流计算中的耦合法和解耦法,研究了求解化学反应源项和能量源项的点隐式方法,并给出了求解无粘通量项的LU-SGS隐式方法。探讨了数值计算中的等离子体点火模型。采用三温度11组元热化学非平衡空气模型,考虑了激光在等离子体中的逆韧致吸收和共振吸收机制,用有限差分NND格式对控制方程组进行数值离散,编制完成了相应的一维计算程序,耦合计算了一维平面波、一维柱面波和一维球面波条件下等离子体吸收波的形成和演化机制。详细研究了等离子体吸收波中各种参数的变化情况。研究中发现一有趣现象,在聚焦条件下,随着等离子体吸收波向前推进,最大电子数密度将减少而最大电子温度将增加。根据等离子体吸收波的结构特征,提出了两种计算激光能量沉积过程的简化模型:1)电子数密度限制器模型;2)等离子体吸收波波速模型。基于电子数密度限制器模型,数值计算了激光推进光船工作过程。为了提高计算效率,采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算激光能量在等离子体中的沉积过程,并用平衡空气模型求解激光结束后的后续流场。将组分生成项和能量源项与流动控制方程组进行解耦计算,对控制方程组采用有限体积NND格式进行数值求解,编制完成了相应的二维计算程序。研究了热化学非平衡/平衡空气模型的转换时刻,发现热化学非平衡效应对光船推进性能有重要影响;对Schall的光船实验进行数值模拟,所得数值计算结果与实验结果吻合;研究了单脉冲能量、脉冲宽度等激光参数对光船推进性能的影响。将等离子体吸收波波速模型推广到球冠等离子体吸收波波速模型和二维等离子体吸收波波速模型,结合高温平衡空气模型,实现了不同激光入射条件下激光推进光船工作过程数值模拟,编制完成了相应的二维计算程序。研究了速度系数对流场参数和光船推进性能的影响,分析了聚焦后激光具有二维分布特征时的流场特性,发现激光空间分布可能对流场具有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称与符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 激光推进概述
• 1.2.1 早期激光推进器介绍
• 1.2.2 当前研究的激光推进器介绍
• 1.3 国内外相关研究综述
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 实验研究
• 1.3.3 数值计算研究
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 第二章 控制方程组及物理化学模型
• 2.1 引言
• 2.2 高温空气等离子体的热化学平衡与非平衡
• 2.2.1 热力学平衡与非平衡
• 2.2.2 热力学温度模型
• 2.2.3 化学平衡与非平衡
• 2.3 控制方程组及定解条件
• 2.3.1 轴对称热化学非平衡流控制方程组
• 2.3.2 轴对称平衡流控制方程组
• 2.3.3 一维热化学非平衡流控制方程组
• 2.3.4 控制方程组的定解条件
• 2.4 物理化学模型
• 2.4.1 平衡空气模型
• 2.4.2 化学反应动力学模型
• 2.4.3 能量源项
• 2.4.4 热力学关系
• 2.4.5 输运模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 数值方法
• 3.1 引言
• 3.2 NND有限差分法
• 3.3 NND有限体积法
• 3.4 解耦法
• 3.5 隐式处理方法
• 3.5.1 源项的隐式处理
• 3.5.2 LU-SGS方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 激光作用下等离子体吸收波的形成和演化机制研究
• 4.1 引言
• 4.2 激光与等离子体相互作用
• 4.2.1 激光辐射引起的空气击穿与等离子体点火模拟方案
• 4.2.2 激光在等离子体中的逆韧致吸收机制
• 4.2.3 等离子体共振吸收机制
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 一维平面波算例
• 4.3.2 一维柱面波算例
• 4.3.3 一维球面波算例
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于电子数密度限制器模型的光船工作过程模拟
• 5.1 引言
• 5.2 激光在等离子体中的传播和电子数密度限制器模型
• 5.2.1 激光推进中的能量转化效率
• 5.2.2 激光在等离子体中的传播
• 5.2.3 电子数密度限制器模型
• 5.3 计算条件
• 5.3.1 光船构型及网格划分
• 5.3.2 激光器工作条件
• 5.4 计算结果与分析
• 5.4.1 热化学非平衡-平衡模型转换研究
• 5.4.2 抛物型激光推进光船工作过程数值模拟
• 5.4.3 激光参数对激光推进光船推进性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于等离子体吸收波波速模型的光船工作过程模拟
• 6.1 引言
• 6.2 等离子体吸收波波速模型
• 6.2.1 球冠等离子体吸收波波速模型
• 6.2.2 二维等离子体吸收波波速模型
• 6.3 计算条件
• 6.4 计算结果与分析
• 6.4.1 球冠等离子体吸收波波速模型计算结果
• 6.4.2 等离子体吸收波速度系数研究
• 6.4.3 二维等离子体吸收波波速模型计算结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文的主要工作与结论
• 7.2 论文创新点
• 7.3 展望与建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录 A 参考量及无量纲化
• 附录 B 平衡空气热力学和输运系数计算表
• 附录 C 空气化学反应模型与组元常用数表