航空航天领域等离子体仿真

Plasma Simulation in Aerospace

等离子体的应用主要包括：电推进器放电仿真、航天器充电效应仿真、返回舱再入等离子体鞘套和黑障仿真、基于等离子体的流动控制、稀薄气体环境下空天飞行器气动特性仿真、吸气式进气道压缩稀薄气体仿真等。

1. 电推进器仿真

卫星用的霍尔发动机和离子发动机工作在极低的气压下，霍尔发动机中存在重要的随机加热和粒子轨道效应，而离子发动机的工作则基本上受粒子轨道效应的主导。这种设备的模拟是PIC模拟方法适合应用的领域。

案例 离子推进器仿真

原理示意图和仿真结构图

电子分布

Xe+和Xe++离子分布

2. 高超声速等离子体鞘套仿真

在高超声速流动中，会形成复杂的激波和边界层结构。此外，在大气中的高超声速过程还会导致空气的高温解离与化学反应，甚至形成等离子体层。专业电磁流体仿真软件可以用于高超声速流体模拟，特别是飞行器再入大气层过程的模拟，此时化学反应和等离子体形成都会影响飞行器的飞行，此外，由于等离子体的形成，会在飞行器表面形成黑障。

案例 再入过程仿真

 61km高空, 23马赫(2D)

3. 流动控制仿真

等离子体激励可以将电场能量转化为边界层分子的动量或热量，改变边界层的流场特性结构和物理特性，从而抑制边界层流动分离，使飞行器增升、减阻、提高失速迎角，实现飞行器的流动控制。近年来，将等离子体作为控制流动的手段，进而达到增生减阻的研究越来越受到研究人员的重视。所以研究等离子体的流动控制具有十分重要的意义。

数值模拟包含等离子激励器放电仿真（DBD放电）和流场仿真两个部分。这两个部分又互相影响，因此等离子体流动控制的数值模拟是一个复杂的过程。

等离子体激励可以将电场能量转化为边界层分子的动量或热量，改变边界层流场特性，抑制边界层流动分离，使飞行器增升、减阻、提高失速迎角，实现飞行器的流动控制。大气压条件下，NACA0015机翼以1.2马赫飞行时的状态，仰角为14度。

计算域网格

扰动强度                               压力波

4 临近空间飞行器气动性能3D仿真

1） 模型描述

本例仿真距离地面100km高空，高速飞行器的气动模型。采用直接蒙特卡洛（DSMCM）算法。仿真区间大小：20m*20m*20m；飞船最大直径：10m。仿真条件为：N（0.08Pa）和O（0.02Pa）混合气体，飞船移动速度为5000m/s。模拟飞船飞行迎风面受到的大气阻力以与气体的摩擦发热效果。作对称剖切，仿真整体模型的1/2。三维建模如下：

2） 计算结果

（1）气体在飞船表面的压力分布：

N 压强分布                                 O压强分布

（2）气体在飞船表面的温度分布：

N 温度分布                                 O温度分布

（3）气体在飞船表面的密度分布：

N 密度分布                                 O密度分布