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水工质脉冲等离子体推力器的宏观性能

高电压技术 2016年第3期42卷 790-796页

作者：杨磊黄玉平汤海滨北京精密机电控制设备研究所北京100076 北京航空航天大学宇航学院北京100191

为了揭示水工质脉冲等离子体推力器(WPPT)的工作特性,探究WPPT运行过程中的能量分布及性能影响机制,提出了一种新的性能仿真模型。该模型能够定量化地描述WPPT放电等离子体的产生及其电磁和气动耦合加速效应,简单且快速有效地评估电推... 详细信息

为了揭示水工质脉冲等离子体推力器(WPPT)的工作特性,探究WPPT运行过程中的能量分布及性能影响机制,提出了一种新的性能仿真模型。该模型能够定量化地描述WPPT放电等离子体的产生及其电磁和气动耦合加速效应,简单且快速有效地评估电推力器的宏观性能。以东京大学的实验样机为对象进行模型验证和仿真研究。结果表明:计算所获得的元冲量、比冲等性能参数与实验数据较符合;脉冲消耗工质中约20%被离子化和加速排出;该推力器的电容储能(E_0=13.5 J)转换成加速动能的能量转换效率约为40%,其中仅14%用于电磁加速。最后基于此模型分析不同推力器电参数和推力室构型参数对性能的影响,研究结果对推力器的设计具有重要意义。

关键词：脉冲等离子体推力器水工质脉冲放电低温等离子体元冲量效率

离心式水工质高温热泵系统构建及性能仿真研究

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离心式水工质高温热泵系统构建及性能仿真研究

作者：毕嘉桐哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

针对目前十分严重的环境污染与资源紧张问题,发展节能环保的新技术一直是国内外非常重视的科研重点。近年来,在余热利用方面,热泵的应用是回收低品位余废热的最佳解决办法,能够显著提高能源利用率。低GWP制冷剂的蒸汽压缩型高温热泵的... 详细信息

针对目前十分严重的环境污染与资源紧张问题,发展节能环保的新技术一直是国内外非常重视的科研重点。近年来,在余热利用方面,热泵的应用是回收低品位余废热的最佳解决办法,能够显著提高能源利用率。低GWP制冷剂的蒸汽压缩型高温热泵的研发热度正日渐提高,作为第四代天然制冷剂中的一员,水有绿色无污染、稳定性高、成本低等优势,因此将自然工质水与高温热泵结合起来可以使系统的节能性与经济性更好,故本文提出了一种离心式水工质高温热泵系统并对其进行性能研究。本文针对离心式水工质高温热泵系统,通过调用REFPROP数据库以及c语言编译系统仿真软件,基于工质理论循环计算,对比水与常规工质在高温条件下的压缩性能;分析单级与多级压缩热泵循环的热力特性;建立离心式水工质高温热泵系统数学模型并进行系统设计;基于仿真模型研究了流量、温度、转速对离心式水蒸气压缩机性能的影响规律,以及废水温度、流量等对离心式水工质高温热泵系统运行性能的影响规律。本文的研究内容与取得的成果如下:(1)单级水工质热泵循环热力特性研究:以质量守恒与能量守恒原理为理论基础,建立单级压缩热泵循环数学模型,进而对水与常规热泵工质以及不同温度水的压缩特性进行对比分析,比较指标包括单位质量制热量、排气过热度、压比、性能系数等。当蒸发温度为40℃～60℃时比较水与R134a的压缩特性,结果表明R134a的热工性能更优异。当蒸发温度为80℃～100℃时比较水与R245fa的压缩特性,结果表明选用水时系统制取的单位质量制热量较多,系统性能更好,同时压比与排气过热度较大,但是水具有绿色无污染、原料易得等优点,因此选用水作为高温热泵工质是完全可以考虑的。当比较不同温度水的压缩特性时,发现蒸发温度为100℃时的水的各项指标均优于蒸发温度为60℃的水,因此水更适合做高温热泵工质。(2)多级水工质热泵循环热力特性研究:对两级压缩热泵循环与三级压缩热泵循环建立数学模型,采用控制变量法,以蒸发温度、提温幅度、喷水比为变量分别研究其对系统性能的影响,然后研究最大喷水比下的系统性能,并对两级压缩热泵循环与三级压缩热泵循环进行对比分析。结果表明:三级压缩系统的压缩机功耗、性能系数、排气过热度等指标均优于单级压缩系统与两级压缩系统,因此在后续将系统设计为三级压缩形式。以COP最大为原则确定多级压缩循环最佳中间压力时,得出经验公式计算出的中间压力即为最佳中间压力,经验公式适用且误差较小。(3)离心式水工质高温热泵系统的数学模型构建及算法:对水工质高温热泵系统进行数学建模,主要包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机等。重点针对压缩机进行数学建模,压缩机的类型选择离心式压缩机,主要针对离心式压缩机结构中的叶轮部分进行数学建模,最后完成压缩机模型与系统整体求解流程图。(4)离心式水工质高温热泵系统运行特性研究:将离心式水工质高温热泵系统设计完成后,研究压缩机入口流量、入口饱和温度、转速三个参数对压缩机运行特性的影响,以及废水温度、废水流量两个参数对系统运行特性的影响。定义单位质量压缩功、压缩机总功耗、压比、提温幅度、排气过热度为压缩机运行特性参数,制热量、COP、废水出口温度、热水出口温度为系统运行特性参数,通过模拟分析,研究了以上参数对压缩机及系统运行特性的影响程度。结果显示在压缩机运行方面,可以优先选择改变转速的大小使压缩机运行工况符合要求,然后通过改变入口温度或流量的大小小幅度调试压缩机。在系统运行方面,相比于废水流量,废水进口温度能更大程度地改变系统性能系数COP的大小,调节系统效率。本文研究了单级与多级压缩水工质热泵循环的热力特性以及离心式水工质高温热泵系统的设计与运行性能,为在实际应用中的系统设计提供指导。

关键词：高温热泵系统构建运行特性水工质离心式

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水工质脉冲等离子体推进器的能量平衡和效率

推进技术 2011年第2期32卷 292-295,300页

作者：朱平侯丽雅章维一南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中北大学电子测试技术国家重点实验室山西太原030051

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的... 详细信息

通过一种同轴水工质脉冲等离子体推进器的LCR放电回路的理论分析和实验来探讨其在运行过程中的能量平衡和能量转换效率。理论分析认为储能电容中的储存能量通过放电转化为加速动能及被传输线和电容的等效电阻消耗掉,并且根据等效电阻的分配情况定义了水工质脉冲等离子体推进器的加速动能和电磁力转换效率。实验研究表明:该水工质脉冲等离子体推进器的存储能量(E0=4.86J)转换成加速动能的能量转换效率是28%,其中11%用于电磁加速及17%用于电热加速,其余72%的存储能量消耗在储能电容和传输线内阻所造成的能量损失上。

关键词：脉冲等离子体推进器能量平衡效率水工质等效电路

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水工质激光推进数值建模分析

推进技术 2007年第5期28卷 501-504页

作者：崔村燕洪延姬李倩李强何国强西北工业大学航天学院陕西西安710072 装备指挥技术学院北京101416

在对水工质激光推进内流场特征分析的基础上,对描述内流场演化过程的数学模型进行探讨,研究了水滴蒸发模型、水滴变形和破碎模型在水工质激光推进内流场演化过程中的作用。研究结果表明,流场演化过程中,蒸发引起的水滴体积变化率不会超... 详细信息

在对水工质激光推进内流场特征分析的基础上,对描述内流场演化过程的数学模型进行探讨,研究了水滴蒸发模型、水滴变形和破碎模型在水工质激光推进内流场演化过程中的作用。研究结果表明,流场演化过程中,蒸发引起的水滴体积变化率不会超过0.0216%,因而蒸发模型对于计算结果影响不大,在计算过程中可以忽略;水滴在激波流场的作用下破碎成较小的水滴,形成二次雾化,破碎后的水滴体积最小只有原体积的1.5%,对于激光能量的沉积有较大影响,所以在计算中必须考虑水滴变形和破碎模型。

关键词：激光推进水工质流场演化蒸发模型变形和破碎模型

水工质微波加热推力器的击穿点火与离解损失估算

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推进技术 2007年第6期28卷 688-691页

作者：毛根旺朱国强杨涓夏广庆孙安邦西北工业大学航天学院陕西西安710072

对水工质微波等离子推力器(MPT),用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,数值估算了其点火的可行性;通过化学动力学计算证明了水工质MPT中离解损失的存在,并初步估算了理解损失的大小。结果表明,在1 kW的输入功率下水工质MPT的点火启动... 详细信息

对水工质微波等离子推力器(MPT),用微波击穿气体放电产生等离子体的条件,数值估算了其点火的可行性;通过化学动力学计算证明了水工质MPT中离解损失的存在,并初步估算了理解损失的大小。结果表明,在1 kW的输入功率下水工质MPT的点火启动并不特别困难,从点火到稳定工作,能量吸收从场致电离、碰撞电离转变为热电离、碰撞电离和场致电离;水在MPT工作过程中会发生离解,离解损失在各类能量损失中所占的比重较大。

关键词：水工质微波等离子推力器(MPT)^+ 击穿点火^+ 离解损失^+

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能量密度对水工质激光推进性能的影响

推进技术 2009年第4期30卷 504-508页

作者：李修乾洪延姬文明黄辉何国强西北工业大学航天学院陕西西安710072 装备指挥技术学院北京101416

当辐照激光能量密度不是很高时,在分析水工质激光推进基本物理过程的基础上,只考虑汽化过程对冲量形成过程的贡献,用一维理论模型研究了辐照激光能量密度对冲量耦合系数、比冲、能量转化效率等推进性能参数的影响规律。结果表明,随着辐... 详细信息

当辐照激光能量密度不是很高时,在分析水工质激光推进基本物理过程的基础上,只考虑汽化过程对冲量形成过程的贡献,用一维理论模型研究了辐照激光能量密度对冲量耦合系数、比冲、能量转化效率等推进性能参数的影响规律。结果表明,随着辐照激光能量密度的增加,存在一个获得最大冲量耦合系数的最优能量密度;比冲随着能量密度的增加而变大;对于透射率一定的工质而言,随着能量密度增大,能量转化效率趋于一个恒定值。这一理论研究结果对下一步的实验研究工作具有较好的指导意义。

关键词：激光推进水工质耦合系数能量密度比冲

易电离元素Na和K对水工质脉冲等离子体推进器性能的影响

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中国科学：技术科学 2011年第10期41卷 532-536页

作者：朱平侯丽雅章维一南京理工大学机械工程学院南京210094 中北大学电子测试技术国家重点实验室太原030051

针对水工质脉冲等离子体推进器的高电阻造成推功比低这一情况,本文提出在水工质中添加低电离势的易电离元素Na和K以提高其性能,并通过放电电流测量和等离子体发射光谱分析实验进行验证.实验研究表明:Na和K对脉冲等离子体推进器性能的提... 详细信息

针对水工质脉冲等离子体推进器的高电阻造成推功比低这一情况,本文提出在水工质中添加低电离势的易电离元素Na和K以提高其性能,并通过放电电流测量和等离子体发射光谱分析实验进行验证.实验研究表明:Na和K对脉冲等离子体推进器性能的提高有一定影响.NaCl和KCl水溶液工质与水工质相比,具有较低的总电阻和较高的推功比和比冲.其中,NaCl水溶液工质对脉冲等离子体推进器性能的影响比KCl水溶液工质略高.等离子体发射光谱分析与放电电流测量实验一致.Na和K致使水工质的等离子体发射光谱信号强度得到增强.

关键词：脉冲等离子体推进器水工质易电离元素

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低功率水工质脉冲等离子体推进器的工作特性

光学精密工程 2011年第10期19卷 2402-2408页

作者：朱平侯丽雅章维一南京理工大学机械工程学院江苏南京210094 中北大学电子测试技术国防重点实验室山西太原030051

为了解决Teflon脉冲等离子体推进器存在的性能低、有污染等问题,设计了以水为工质的脉冲等离子体推进器系统,并研究了它的主要工作指标的能量阈值。分析了水工质脉冲等离子体推进器系统的放电类型形成条件及原因,通过放电电压和电流测... 详细信息

为了解决Teflon脉冲等离子体推进器存在的性能低、有污染等问题,设计了以水为工质的脉冲等离子体推进器系统,并研究了它的主要工作指标的能量阈值。分析了水工质脉冲等离子体推进器系统的放电类型形成条件及原因,通过放电电压和电流测试实验,对工作能量阈值进行了实验研究,得到了稳定运行能量对应的储能电容值。实验结果表明:在足够高的电场强度和足够大的触发电流下,才能产生保证稳定工作触发概率的初始等离子体;而水工质脉冲等离子体推进器的正常工作能量范围由储能决定,与储能电容的容值不相关。研究结果为发展无污染、性能高、具有广适性的低功率水工质脉冲等离子体推进器打下了一定的基础。

关键词：水工质脉冲等离子体推进器放电类型能量阈值

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水工质激光推进数值建模分析

水工质激光推进数值建模分析