临近空间高速目标等离子体电磁科学实验装置的目的是为了在等离子体射流的条件下进行相关电磁实验。等离子体射流的电子密度分布是电磁实验的一个重要参数。本装置产生的等离子体射流具有高焓值高电子密度的特点。通过计算和实验测量的方法获得等离子体射流能量特性和电子密度分布是本文重点研究的内容。高焓值等离子体射流中有大量的化学反应,化学反应带来各组分的变化,各组分的变化影响输运及热动力参数,输运及热动力参数会影响流动和热传递特性,流动和热传递又会影响化学反应,化学反应决定电子密度。整个区域中化学反应和流场相互耦合。本文先通过化学反应计算得到各组分的摩尔分数变化,根据各组分的摩尔分数变化确定输运参数和热动力参数。为了分割化学反应和流动的耦合性,通过化学反应预先确定各组分的摩尔分数的源项和扩散项以及由化学反应带来的能量源项。在流动计算过程中,直接引入各组分摩尔分数的标量,通过摩尔分数的源项和扩散项计算各组摩尔分数,并在能量项中加入由化学反应带来的能量源项。能源源项的加入使计算的结果更符合真实的物理过程。本文的研究为本装置提供理论计算支撑和工程应用指导。本文的研究内容主要包含以下四个方面:1、针对本实验装置温度跨度大、化学反应复杂以及流动参数受化学反应影响很大的特点,提出了一种适合本装置的多化学反应瞬态计算方法和平衡与非平衡化学反应状态下输运与热动力参数的计算方法。本装置在真空腔室内的化学反应是近似于平衡态的非平衡化学反应,使用平衡化学反应计算得到的结果存在一定的误差。多化学反应瞬态计算方法既可以用来计算平衡化学反应也可以用来计算非平衡化学反应。多组分物质的输运参数和热动力参数的计算过程中,经验公式忽略了因化学反应引起的各组分摩尔分数变化而带来的输运参数和热动力参数的变化,计算出的结果误差较大。本文将因化学反应引起的各组分摩尔分数变化加入到计算中,使得到输运参数和热动力参数更为准确。2、针对本实验装置感性耦合等离子体电源功率大、能量注入区域集中和化学反应对能量的影响等特点,提出了适合本装置的能量注入和电子组分的源项与扩散项的计算方法。本实验装置通过感性耦合的方式产生等离子体,线圈上的电流产生磁场,磁场用来激发产生等离子体。焦耳热是等离子体激发过程中的注入的能量。等离子体在激发和流动的过程中,伴随着大量的化学反应。化学反应会带来能量的吸收与释放,根据化学反应的情况,将化学反应引起的能量变化加入进流动计算,使能量参数计算更为准确。空气等离子体的化学反应方程很多,各个反应的反应系数差别很大,当把化学反应直接代入流动计算时,会出现一些组分一直处于最大值或者最小值。为了克服这些缺点,将各组分摩尔分数以标量的形式加入流动计算中,并预先计算出各组分摩尔分数的源项和扩散项。通过这种方法可以使各组分的摩尔分数处于合理区间,同时也降低了运算量,提高了运算速度。3、通过引入热损耗以及温度的瞬态项使热流值的测量更快更准确。热流值可以使用柱塞式量热计通过接触式的方式进行测量。由于等离子体射流的温度很高,柱塞式量热计使用水冷进行降温,同时也不能长时间在射流区域中驻留。通过在柱塞的温度方程中引入热损耗,使热流值的测量更为准确。并在温度方程中保留瞬态项,以降低柱塞的温度响应时间,以此来降低柱塞式量热计在等离子体射流区域的驻留时间,最终可以更快更准确的测量热流值。4、根据实验平台的尺寸和边界条件,计算了电子密度的分布特性,并通过测量方法验证了计算结果。本装置的目的是为了在等离子射流环境下进行相关电磁实验。等离子体电子密度分布是进行电磁实验的一个重要参数。电子密度测量装置很难获得电子密度的分布。本文根据实验装置的尺寸、边界条件,以及前面所得到的输运参数、热动力参数、化学反应等各种条件,计算得到电子密度分布。计算得到的电子密度和测量的电子密度进行对比,两者结果一致。本文的计算方法具有一定的工程实用价值。综上所述,本文通过化学反应确定输运和热动力参数,并预先计算各组分摩尔分数的源项和扩散项以及能量源项,通过对整个装置的数值模拟,得到能量特性和电子密度的计算方法。能量特性中的热流和焓值以及电子密度的计算结果和测量结果一致。本文的方法对工程应用具有指导意义,同时可以为后续相关电磁实验提供电子密度分布结果。