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等离子体磁流体发电研究进展

黄护林 李林永 李来 刘飞标

黄护林, 李林永, 李来, 刘飞标. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报(中英文), 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
引用本文: 黄护林, 李林永, 李来, 刘飞标. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报(中英文), 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
HUANG Hulin, LI Linyong, LI lai, LIU Feibiao. Research Progress of Plasma Magnetic Fluid Power Generation[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
Citation: HUANG Hulin, LI Linyong, LI lai, LIU Feibiao. Research Progress of Plasma Magnetic Fluid Power Generation[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003

等离子体磁流体发电研究进展

doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
基金项目: 国防基础预研重点项目(JCKY2013203B003);核反应堆系统设计重点实验室资助
详细信息
    作者简介:

    黄护林(1968– ),男,博士,教授,主要研究方向:磁流体流动与传热。通信地址:南京市白下区御道街29号南京航空航天大学航天学院(210016)电话:(025)848896183E-mail:hlhuang@nuaa.edu.cn

  • ● The working principle and power generation process of a plasma magnetohydrodynamic power generation system (MHDPG) is introduced. ● The key technology and key problems in the current research of MHDPG with plasma are analyzed. ● The research progress both in domestic and abroad are reviewed from both numerical simulation and experimental investigations. ● The reasons that the Plasma MHDPG will promote the development of aerospace technology are analyzed.

Research Progress of Plasma Magnetic Fluid Power Generation

  • 摘要:

    简要分析了等离子体磁流体发电系统的工作原理和发电过程,阐述了目前磁流体发电研究中的重点和关键问题,从数值模拟和实验研究两方面回顾了国内外的研究情况和研究进展。分析认为等离子体磁流体动力学将会受到越来越多的重视,且将会推动航空航天技术的进步。

    Highlights
    ● The working principle and power generation process of a plasma magnetohydrodynamic power generation system (MHDPG) is introduced. ● The key technology and key problems in the current research of MHDPG with plasma are analyzed. ● The research progress both in domestic and abroad are reviewed from both numerical simulation and experimental investigations. ● The reasons that the Plasma MHDPG will promote the development of aerospace technology are analyzed.
  • 图  1  盘式发电机结构与电流流向分布

    Fig.  1  Structure of disk type MHD generator and distribution current

    图  2  扩张通道霍尔型发电结构及其实验结果

    Fig.  2  Divergent channel of Hall type MHD generation and its experimental results

    图  3  4种盘式电极间壁面形状

    Fig.  3  4 types of wall shape between electrodes

    图  4  盘式发电机入口结构

    Fig.  4  Inlet structure of disk MHD generator

    图  5  二负载盘式结构

    Fig.  5  Two loads disk MHD generator

    图  6  分段法拉第型发电机结构和横截面电流分布

    Fig.  6  Segmented Faraday type MHD generator and cross section current

    图  7  常用的法拉第型发电通道结构

    Fig.  7  Typical Faraday MHD generator channels

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-10
  • 修回日期:  2018-06-01
  • 网络出版日期:  2020-09-09
  • 刊出日期:  2018-08-01

等离子体磁流体发电研究进展

doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
    基金项目:  国防基础预研重点项目(JCKY2013203B003);核反应堆系统设计重点实验室资助
    作者简介:

    黄护林(1968– ),男,博士,教授,主要研究方向:磁流体流动与传热。通信地址:南京市白下区御道街29号南京航空航天大学航天学院(210016)电话:(025)848896183E-mail:hlhuang@nuaa.edu.cn

  • ● The working principle and power generation process of a plasma magnetohydrodynamic power generation system (MHDPG) is introduced. ● The key technology and key problems in the current research of MHDPG with plasma are analyzed. ● The research progress both in domestic and abroad are reviewed from both numerical simulation and experimental investigations. ● The reasons that the Plasma MHDPG will promote the development of aerospace technology are analyzed.

摘要: 

简要分析了等离子体磁流体发电系统的工作原理和发电过程,阐述了目前磁流体发电研究中的重点和关键问题,从数值模拟和实验研究两方面回顾了国内外的研究情况和研究进展。分析认为等离子体磁流体动力学将会受到越来越多的重视,且将会推动航空航天技术的进步。

注释:
1)  ● The working principle and power generation process of a plasma magnetohydrodynamic power generation system (MHDPG) is introduced. ● The key technology and key problems in the current research of MHDPG with plasma are analyzed. ● The research progress both in domestic and abroad are reviewed from both numerical simulation and experimental investigations. ● The reasons that the Plasma MHDPG will promote the development of aerospace technology are analyzed.

English Abstract

黄护林, 李林永, 李来, 刘飞标. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报(中英文), 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
引用本文: 黄护林, 李林永, 李来, 刘飞标. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报(中英文), 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
HUANG Hulin, LI Linyong, LI lai, LIU Feibiao. Research Progress of Plasma Magnetic Fluid Power Generation[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
Citation: HUANG Hulin, LI Linyong, LI lai, LIU Feibiao. Research Progress of Plasma Magnetic Fluid Power Generation[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346. doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003
    • 导电流体沿垂直于磁场方向运动时,在磁场和导电流体运动的正交方向上产生感应电场,将流体的动能转化为电能,称为磁流体发电。其中,等离子体磁流体发电是一种新型环保高效的发电方式。等离子体是一种具有导电性质且有别于一般导电流体的物质第4态,因此对磁场作用下等离子体的研究要比一般导电流体复杂得多,其研究领域涉及磁流体动力学(Magnetohydrodynamic,MHD)、等离子物理、高温技术、材料科学等。1959年,阿夫科公司成功建造了功率为11.5 kW的实验性等离子体磁流体发电机,这种发电机没有机械运动部件,能够将热能直接转换为电能,转换效率高[1]。经历了半个多世纪的发展,等离子体磁流体发电理论在不断完善,实验所用的发电通道结构在不断改进,应用领域也在不断扩展。2005年,美国将等离子体磁流体动力学列为空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础领域之一,我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中也将等离子体磁流体动力学列为面向国家重大战略需求的基础研究[2]。2011年5月12日,空军工程大学建成了我国首个国家级等离子体动力学实验室,使我国进入了等离子体动力学研究的前沿领域。

    • 等离子体磁流体发电机按照电流输出方式可分为霍尔型发电机和法拉第型发电机,这两种发电机的工作原理不尽相同。

    • 盘式发电通道是霍尔型发电系统最具代表性的结构,其工作原理是等离子体在磁场作用下,受到与流动相反的切向洛伦兹力,电子和离子沿切向方向产生偏转而产生环形法拉第电流Jθ;同时,沿径向的正离子和电子受到相反的径向洛伦兹力而被分开,形成径向霍尔电流Jr,在通道入口和出口各放置一对环形电极将霍尔电流引出,如图 1所示。盘式磁流体发电机的法拉第电流相当于短路,输出的是霍尔电流,其输出电压要比法拉第通道的高,输出的总电能大,焓提取率高;磁体系统可由圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈提供,可以产生平行的磁力线。

      图  1  盘式发电机结构与电流流向分布

      Figure 1.  Structure of disk type MHD generator and distribution current

      霍尔型发电机还有另外一种重要结构,其模型及相关实验结果如图 2所示[3]。这种通道结构通过导线连接法拉第电极使法拉第电流短路,将通道第一对电极和最后一对电极与外负载连接,从而输出霍尔电流。

      图  2  扩张通道霍尔型发电结构及其实验结果

      Figure 2.  Divergent channel of Hall type MHD generation and its experimental results

      对盘式等离子体磁流体发电机结构的研究主要集中于通道壁面形状、入口结构、出口/入口横截面积比、电极排布等。因边界层的充分发展会降低发电机性能,Murakami[4]等通过研究盘式通道电极间的4种壁面形状(凹面扩张通道、线性扩张通道、凸面扩张通道、高曲率凸面扩张通道)对发电性能的影响发现,采用凸面扩张通道时,边界层抑制作用要比其他3种壁面形状强,发电机性能最好(如图 3所示)。Liberati[5]等也获得同样的结果。

      图  3  4种盘式电极间壁面形状

      Figure 3.  4 types of wall shape between electrodes

      图 4所示,增加导流叶片可以减少发电段的入口损失,从而提高了发电机的输出功率和焓提取率[6];当导流叶片旋转比率(S= Uθ/UrUθ为切向速度,Ur为径向速度)为1时,输出功率最大[7];采用导电导流叶片时,导流叶片区域的电子温度要高于采用绝缘导流叶片的,但是发电机性能并无多大的变化[8]

      图  4  盘式发电机入口结构

      Figure 4.  Inlet structure of disk MHD generator

      发电通道扩张角过大,则不利于提高发电机的等熵效率和焓提取率,因此采用小的扩张角是适宜的[9]。Murakami[10]等在传统盘式发电机的阴阳极之间增加一中间电极,将发电机分成上游和下游两个区域,形成一个二负载的盘式等离子体发电机(图5),其研究结果表明,当上游负载大于或等于下游负载时,发生器输出功率较高;上游焓提取率过多时,下游则无法获得较高的能量转换效率。Inui[11-12]等研究了在入口处设置一对分开的阳极并将这对阳极用外接导线短路,这种电极结构能够使入口双阳极之间的等离子体种子获得充分电离,使发电机性能提高,但会引起较大的总压损失。

      图  5  二负载盘式结构

      Figure 5.  Two loads disk MHD generator

    • 分段法拉第型发电结构是法拉第型发电机最具代表性的结构,其由若干对平行不连续的电极分立通道两侧而组成的,同侧电极之间采用绝缘材料阻隔,如图 6所示[13]。其基本工作原理是在磁场的作用下,带电粒子受到洛伦兹力的作用而向两侧电极偏转从而产生法拉第电场。与盘式发电通道充分利用霍尔效应不同,法拉第通道分段电极的设计是尽可能抑制霍尔效应的产生。图 7为几种常用的法拉第型发电通道结构。

      图  6  分段法拉第型发电机结构和横截面电流分布

      Figure 6.  Segmented Faraday type MHD generator and cross section current

      图  7  常用的法拉第型发电通道结构

      Figure 7.  Typical Faraday MHD generator channels

    • 等离子体磁流体发电的工质主要有高温燃气、空气、惰性气体、氢气等。为了提高磁流体发电机的性能,必须提高工质的电导率及保持电导率的稳定。在气体中加入少量的碱金属种子的混合气体可以在较低电子温度下实现较高的电子数密度[14-15]。然而,额外增加涉及碱金属的子系统,不仅会降低发电系统的质量功率比,还会增加发电系统的复杂性[16],不适合用作深空探测的电源系统。目前,采用对气体预电离的方法以提高气体电导率较常用。提高气体电导率的方法除热电离[17]外还有各种外部主动电离技术,主要包括电子束电离[18]、脉冲放电电离[19]、微波电离[20]、电容耦合射频放电电离等[21]

    • 由于数值计算科学的快速发展,数值模拟逐渐在科研中发挥着越来越重要的作用,因此在等离子体磁流体发电的研究中,很大一部分是采用数值模拟进行的。

      1)盘式发电机的研究

      盘式磁流体发电是等离子体磁流体发电的一个重要研究方向,日本尤其重视,发表了大量的研究成果。东京工业大学Shimizu[22]等采用三维数值模拟方法验证采用入口导流叶片的盘式发电通道实验结果。在低种子条件下获得的等熵效率要高于实验结果;当提高种子浓度时,通道马赫数逐渐下降到1以下;当种子浓度在最佳值附近时,θ方向上等离子体结构相当稳定,相反则由于种子电离不充分而导致等离子体结构非均匀不稳定性。Tanaka[23]等研究预电离纯惰性气体盘式发电道,揭示了当焦耳热密度高时,通道气体电离度上升;当阳极电流密度大时,可引起垂直方向上电离度的非均匀性从而导致边界层发生分离;氩和氙等离子体的非均匀性和电离度的增加要比氦等离子体的明显。Murakami[24]等研究了采用射频电磁场提高受水蒸气污染的盘式发生器性能的可行性。二维数值模拟结果表明,采用射频电磁场可以抑制电离度和电子温度的波动,从而提高发电机焓提取率和等熵效率。Liberati[25]等采用大涡模拟方法,二维数值模拟盘式发电通道的non-MHD流和MHD流。研究结果表明,non-MHD流和MHD流均在发电通道的下游发生边界层分离,但是由于MHD效应的影响,MHD流的下游流线分布逐渐变宽,在阳极区域发生边界层分离。Sakai[26]等采用非稳态二维数值模拟与实验结果对比的方法,研究发现入口总温对电导率影响最大,对其控制十分重要。Harada[27]等以He/Cs为工质,研究发现盘式发电通道入口旋流叶片的旋转比率S为1时,可将焓提取率提高到32.5%,同时可以降低入口附近静压由于洛伦兹力作用而急剧上升的幅度,使整个通道的霍尔参量都保持在较高的水平。Liberati[28-31]等以Ar/Cs为工质,研究了盘式发电通道入口与出口的压力比值PR、通道扩张比率AR以及阳极MHD段壁面形状对发生器性能的影响。结果表明:高PR值可使发生器获得较大的焓提取率,此时斜激波出现在MHD段与下游部分的交界处;较小的AR可以提高等熵效率和焓提取率。当阳极附近采用平面型壁面时,阳极下游附近出现边界层分离;阳极附近为外凸弧形壁面时,可以抑制边界层分离,提高等离子体的稳定性,从而提高霍尔参量和发生器的发电效率;同时,在高马赫数低静压条件下,即便磁场很强,洛伦兹力也未对流场产生很大的阻力。东京工业大学[32-36]还研究了种子完全电离情况下对等离子体稳定性和松弛区域的影响;采用考虑气体波动和激波等因素的一维分析方法分析盘式发生器的实验结果;二维数值模拟分析了边界层、电极区以及主流区的电流分布并研究了绝热效率与焓提取率的关系。Lou[37-38]等研究发现盘式发电通道入口种子浓度波动频率为常数时,增大波动幅度使得焓提取率波动增大,平均值降低;当波动幅度一定时,焓提取率的波动频率变化更大;无论是正弦波动还是随机波动,发生器性能均下降;当种子浓度波动频率为8~10 kHz的正弦波动时,焓提取率波动最大,平均值最低,因此盘式发电通道入口种子分数波动频率要避开此频率。

      长岗科技大学主要研究的是以He/Xe混合气体为工质的闭环盘式磁流体发电机。Harada[39-40]等提出一种由非平衡等离子体发生器驱动的盘式发电机(NPG/CCDisk)替代由推进剂燃烧产物的法拉第型磁流体发电系统,研究表明,当盘式发电通道为直通道时,获得的焓提取率不超过20%;当采用压缩–扩张通道时,在热输入功率为18 MWt时,焓提取率达到40%;当氧化铝颗粒和残余氧气超过一定水平时,发电性能就会降低。长岗科技大学还与美国马歇尔航天中心(Marshall Space Flight Center)合作[41-43],研究了核反应堆提供1 800 K的总温条件下,以He/Xe混合气体为工质的空间核能磁流体发电系统,评估了各个子系统的热输入、能量耗散、压力损失、等熵效率等。文章指出,如果净发电功率达到1 MW,则质量功率比可下降到3 kg/kW;如果净发电量超过3 MW,则质量功率比可降到2 kg/kW以下。Harada[44-45]等通过二维数值模拟研究了以Xe种子代替碱金属的闭环磁流体发电系统,如边界条件与He/Cs工质的相同,则He/Xe混合气体工质的发电机的性能远没有以He/Cs的好;而通过预电离和增加负载等手段提高入口电子温度,则He/Xe发电机性能就会得到大幅提高并可获得40%的焓提取率,但是文章并没有研究如何提高初始电导率和保持等离子体的稳定性及其对发电效率的影响。此后,Harada[46-49]等研究了三体复合速率对电离稳定性以及电离稳定性对磁流体发电机的影响。结果表明,采用普遍使用的Hivnov与Hirschberg三体复合速率曲线时,由于电离的不稳定性导致了盘式发电通道放电场形成了涡旋结构;在更高的电子温度下,采用Biberman三体复合速率曲线,可以获得稳定的焓提取率,此时放电场和电离相当稳定。电离的不稳定性可以通过降低种子浓度、增加负载和入口旋转比率来抑制。Yamaguchi[50]等对盘式发电通道r-θ平面进行二维数值研究结果表明,当入口静温沿径向随时间波动时,径向电导率分布不均匀,径向电流和径向最大电势降低,发电机性能降低了13%;当静温沿方位角随时间波动时,径向电导率、径向电流以及电极间的压降并无多大的变化,发电机性能稳定;当静压或径向速度波动时,中间电极和阴极之间的电导率有所提高。

      Kobayashi[51-53]等以纯He为工质,采用预电离的方法提高盘式发电通道入口气体电离度,二维数值模拟结果表明,当入口预电离度达到4.79 × 10–5时,在磁场强度为4 T、负载为3 Ω的条件,发电机性能达到了加种子的水平,此时焓提取率为22.7%,等熵效率为54.8%,预电离花费为热输入功率的2%。当边界层附近的电离度大于主流区时,由于洛伦兹力的作用增强,导致边界层的充分发展,使得发电机性能下降;当边界层的电离度小于主流区时,发电机性能得到提高。由于He的三体复合速率很低,He的电离度在不同结构尺寸的盘式通道中都近似为常数。Kobayashi[54-55]等还通过三维数值模拟研究了非平衡等离子体在通道内的分布情况。在r-θ平面内,等离子体呈涡旋结构分布;在r-z截面内,若假设气体性质不变,则等离子体分布呈柱状分布,当考虑到洛伦兹力和焦耳热的影响时,等离子体分布变得较为均匀。Inui[56-58]等提出一种新的非平衡等离子体盘式发电机优化设计方法以避免传统设计方法过于繁琐的缺点,该方法包含7个步骤,能设计出等离子体稳定、等熵效率高的发电机。通过对r-z截面的二维数值模拟,研究其扩张通道出口背压和不同负载对盘式发电机性能的影响,结果表明通过选择合适的背压条件,可以提高发电机性能,若偏离最佳背压条件,发电机性能将会降低;通过不同负载的二维数值模拟结果与一维模拟结果进行对比,除高负载条件下,其余结果基本保持一致,而高负载条件下的间歇放电现象首次进行了二维数值模拟。Ishikawa[59-60]等通过数值模拟研究了盘式发电机性能并与实验进行对比,表明一维分析可以很好地预测强电磁相互作用下的盘式发电机性能;在接近短路的情况下,流动不稳定增长与实验结果有某种程度上的吻合;即便忽略氩气的电离过程,发电机性能也可以很好地被预测;模拟结果显示,焦耳热密度大有利于保持等离子体的稳定性,但过大的焦耳热密度会降低发电机性能,因此作者建议采用多负载结构以提高盘式发电通道性能。Takahashi[61]与Ichinokiyama[8]等采用数值模拟方法,以氩气为工质,研究了碰撞–辐射速率模型(CR)以及盘式发电通道旋流叶片导电或绝缘时对盘式发电通道性能的影响。结果表明,激发态原子的辐射跃迁对MHD发电机具有强烈的负面影响,因为辐射跃迁结合过程使得结合速率要高于只考虑碰撞跃迁的情况,使得采用CR模型的电导率要比其它模型的低。采用导电的旋流叶片时,在旋流叶片区域的电子温度较高;而采用绝缘旋流叶片时,电子温度较低。在环形电极处,无论是采用导电旋流叶片还是采用绝缘旋流叶片,电子温度并无明显差异,发电机的性能几乎相同。

      荷兰的埃因霍芬理工大学(Technische Hogeschool Eindhoven)是较早研究磁流体发电的高校之一,其诸多研究成果后来被日本继承并发展。Hara[62]等基于激波风洞设备所进行的发电实验的参数和Ar/Cs混合气体工质,对法拉第型磁流体发电机的数值模拟表明,电极附近电流密度大,通道内形成明暗相间的条纹状等离子体结构,在亮条纹内电子温度在4 000~6 000 K,在暗条纹内电子温度在2 500 K左右时,模拟结果与实验观察到的现象一致。Veefkind[63-64]等通过实验和数值模拟,研究了等离子体特性与磁流体发电机的性能关系。实验测得盘式发电通道的焓提取率较低,在滞压为0.42 MPa、滞温为2 100 K的实验条件下,得到的焓提取率为18%。进一步实验表明,由于电离的不稳定性导致电离分布不均匀,使实验测得的电导率和霍尔参量偏离理论值;当等离子体的霍尔参数低于临界霍尔参数时,等离子体会变得相对稳定。

      俄罗斯的Dogadayev[65]等以氩/铯混合气体为工质,对盘式磁流体发电通道进行了数值模拟。在工质流量为1 700 kg/s,种子浓度1.6 × 10–5、滞温2 200 K、滞压2 MPa等条件下,获得34%的焓提取率,75%的等熵效率。此外,Pavshuk[66]等对空间核能磁流体发电系统进行探索,提出一种开环磁流体发电系统,以氢气为工质,以铯为种子,对一个热功率为200 MW的发电系统进行了热分析。在反应堆出口温度为3 100 K、出口滞压为5 MPa、工质流量为5 kg/s的条件下,当采用磁场强度为6 T时,获得20.1 MW的电能输出。

      2)法拉第型发电研究

      对于法拉第型发电通道,美国方面的研究主要集中于高超声速飞行器上。在常物性的MHD流动中,绝缘壁面边界层由于速度的降低导致了电流密度的变化,从而产生变化的体积力,影响边界层的流动,这一现象称为哈特曼流(Hartmann Flow),而导电气体由于其物性参数的变化,其绝缘壁面边界层的流动特性更为复杂。为此,美国斯坦福大学(Stanford University)的Rankin[67]等对可压缩气体的绝缘壁面边界层的流动现象进行了详细的研究,并称这一现象为“Extended Hartmann Flow”。数值模拟和实验结果表明,绝缘壁面边界层的Extended Hartmann Effects对MHD发电机性能具有重要的影响。普林斯顿大学的Macheret[1768-73]等采用电子束电离的方法,研究了高速低温来流法拉第型MHD发生器的电离动力学方程、电子束电离分布以及电极和边界层的重要性。文章认为采用热电离时,边界层温度要远高于主流区,使得边界层电导率极高,容易导致边界层短路;在0.1个大气压下,若要提取到几MJ/kg的能量,则通道长度需要1~4 m,电子数密度要达到1012~1013 cm–3;由于电子束电离不受气体温度和电场高低的影响,因此无论在低温还是在低电场中,电子束电离方法都可以产生足够的电导率,是电离低温气体最有效的方法。Gaitonde[74-75]采用三维数值模拟方法研究了AJAX的能量旁路系统,文章采用高精度鲁棒法(Robust High-Resolution Technique)求解包含电磁源项的三维Navier-Stokes方程,着重分析在给定的等离子体环境中的电磁效应,MHD发电机和MHD加速器均假设为法拉第型并且分别安装在进口压缩通道和出口扩张通道上。结果表明,MHD发电机可以有效地降低入口来流的速度和总温;由于轴向霍尔场的存在使流体流动方向上产生了涡电流,在一定程度上影响了设备的性能;不管是MHD发电机还是MHD加速器,在相互作用参数较大时,都能产生很高的效率。

      在日本,法拉第型发生器的研究包含了高超声速飞行器的磁控气道和空间核能磁流体发电两个方面。筑波大学的Ishikawa[76]等认为电极附近的电流对等离子体分布具有重要影响,文章采用三维数值模拟方法研究了电极附近电流的分布情况。结果表明,强霍尔效应导致电流密度在阳极上游边界较大,导致相应的温度也很高,洛伦兹力在强电流区较强,导致强电流区域向上游移动;强霍尔效应同时导致了阴极下游的强电流区,且洛伦兹力倾向于将电流拖离阴极。筑波大学的Tamada[77]等认为超然冲压发动机进气道的MHD发电机的横截面需要根据实际需要而灵活变化,在最佳负载系数条件下,只要在相同坐标位置的横截面积相同,无论横截面形状是正方形还是长方形,发电机输出功率均超过10 MW且满足HVEPS项目的目标要求,也就是说只要横截面积相同,横截面形状可以灵活选择。筑波大学的Takahashi[78]等认为HVEPS实验采用的是DCW(Diagonal Conducting Wall)型发电通道,而DIW(Diagonal Insulating Wall)型、HCW(Hall Conducting Wall)型和HIW(Hall Insulating Wall)发电通道并没有进行过相关的实验研究,因此作者采用三维数值模拟方法研究了DCW、DIW、HCW、HIW型发电机并与法拉第型发电机进行对比。结果表明,DCW型发电机获得的输出功率最大;与DIW和HIW型发电机相比,DCW和HCW型发电机的壁面电极能够抑制压降损失;霍尔型发电机HCW和HIV的输出功率较小,法拉第型发电机输出功率与DCW型发电机的相近,但其负载连接方式复杂,预算花费较大,因此文章认为DCW型发电机最适合用于超然冲压发动机实验。日本筑波大学的Gotoh[79]等对HVEPS超然冲压发动机MHD发生器进行了数值模拟,其计算程序包含非稳态的Navier-Stokes方程,服从于MHD假设的稳态Maxwell方程和热化学平衡方程等,得出以下结论:在小尺寸测试实验下,由于小磁相互作用数而引起的流场波动可以忽略不计;当标量电导率采用比热化学理想值降低0.813时,数值模拟结果与实验结果吻合得相当好,虽然将电导率降低为理想值的19%的原因并不清楚,但是却是合理的,因为存在不完全燃烧和流场的非均匀性;电极附近的压降是MHD诱导电压的0.3~0.4倍且数值模拟结果与实验结果能够很好地吻合。另外,筑波大学的Nagakubo[80]等通过数值模拟研究对角线型DCW、DIW发生器和分段法拉第型发生器的性能,结果表明,DCW发生器输出功率最大;法拉第型发生器在最大输出功率条件下,电效率最高;3种发生器的磁相互作用数均较小,流场基本无差异。

      东京工业大学的Matsumoto[81-82]等采用一维和二维非稳态数值模拟方法研究脉冲激光等离子体动力学与脉冲激光MHD发生器的性能。其结果表明,发生器的焓提取率为10%~30%,达到了传统加种子的MHD发生器的性能;发生器输出功率随时间推移存在不同峰值,第一个峰值出现在最初的高电导率等离子体流动时,第二个峰值输出功率稍低,但持续时间长,对发生器输出功率的贡献最大;随着脉冲激光能量输入的增加,发生器的焓提取率也在不断增大。东京工业大学的Tanaka[83]等对以高温惰性气体为工质的法拉第通道进行了二维数值模拟,结果表明,若要使等离子体从非均匀不稳定状态转化为均匀稳定状态并提高发生器的性能,则以氦气为工质时,入口总温要从11 000 K增至14 000 K;以氩气为工质时,入口总温要从7 000 K增至10 000 K;以氙气为工质时,入口总温要从5 000 K增至9 000 K。在低温条件下,氙气的电离波动最小,氦气的焓提取率最大;在高温条件下,离子与电子的碰撞成了主要碰撞,电导率对电子数密度的依赖性下降;当采用氩气为工质,外加负载为1 Ω时,获得的焓提取率为13.1%,与实验结果(12.9%)相近。

    • 1)盘式发电

      由东京工业大学采用Fuji-1磁流体发电研究设备(1981—1999年)进行了一系列闭环盘式磁流体发电的研究[84-92],其中一个重要目的就是证明闭环盘式磁流体发电机在低种子浓度和运行时间内具有高焓提取率的优点。在十几年间,利用Fuji-1设备先后进行的盘式发电实验研究包括Disk-F3a、F3r、F4。在入口滞压为0.46 MPa,滞温为1 850 K,热输入为2.57 MW时,Disk-F3a获得的最大输出功率为404 kW,焓提取率为15.7%,当入口滞压为0.60 MPa,热输入为3.4 MW时,Disk-F3a获得的最大输出功率为517 kW;当滞压为0.24 MPa、入口滞温为1 930 K时,热输入为1.65 MW时,Disk-F3r获得的最大输出功率297 kW,焓提取率为18%。对Disk-F3a,F3r的实验研究证明了盘式发电机具有较高的发电性能,同时也表明了盘式发电机还有很大的提升空间。1994年,该大学又进行了Disk-F4的研究,在2.75 MW的热输入功率下,Disk-F4实验获得了506 kW的输出功率和18.4%的焓提取率,在试验过程中也观察到了一些问题,如种子附着在电极和绝缘壁面上,工质混入大量的水蒸气杂质造成输出功率下降。通过采用不锈钢涂层阳极替代铜材料阳极来消除种子材料附着的问题,采用提高热交换器底部温度来减小杂质对工质的污染后,在最后一次的Disk-F4实验中,当热输入功率为3.38 MW时,获得的输出功率为544 kW,当热输入功率为2.17 WM时,获得的焓提取率为18.9%。

      1990年代,微波射频电离被认为是产生和控制盘式发生器等离子体最有效的方法[93-94],但是当时还缺乏对射频电磁场辅助电离的相关实验研究。为验证射频电磁场辅助电离的有效性,Fujino[95]等以Ar-Cs为工质,采用激波通道实验设备,分别研究了入口总温为2 275 ± 75 K和2 650 ± 50 K条件下盘式发电通道性能。其结果表明,当采用射频电磁场辅助电离时,较低入口总温的发生器性能得到明显提高,而高温入口的等离子体稳定性也得到提高,输出功率也有所增大。在Ar-Cs为工质的实验基础上,Itoh[96]等进一步研究了He-Cs为工质的等离子体发生器。其研究结果表明,射频电磁场能够在较大的种子和负载变化条件下提高发生器性能。Murakami[97-99]等认为加种子的方法会使系统复杂化且无法精准控制种子浓度,因此他们以纯氩气为工质,射频电磁场的频率为13.56 MHz,功率为5 kW,研究结果表明,尽管射频电磁场的输入功率小,但是射频电磁场可将电子温度提高到8 000 K且能够在较低的入口滞温(4 000~4 400 K)条件下获得15~20 kW的输出功率,而没有射频电磁场辅助电离时,发生器的输出功率几乎可以忽略;连续输入射频电磁功率能够使非平衡等离子体结构保持良好的稳定性,发生器的能量转换效率也得到提高。其次,作者还将射频电磁场辅助电离的盘式发生器和多负载盘式发生器进行了实验对比。对比结果显示,采用射频电磁场辅助电离时,霍尔电压明显提高,等离子体结构稳定,而多负载发生器在高种子电离度和高上游负载时,虽然可以提高霍尔电势,但是等离子体不均匀,结构不稳定;在较大范围的种子浓度和负载变化下,射频电磁场辅助电离可以明显提高发生器性能,与传统盘式发生器相比,射频电磁场辅助电离的盘式发生器比较适合在低电压和高电流下运行。

      Murakami[100-102]等结合实验和数值模拟,研究了高能量转换效率的盘式发生器性能,其工质为Ar或Ar-Cs。实验方面,以纯Ar为工质,当入口总温由7 600 K逐渐提高到9 700 K,等离子体逐渐从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定状态,此时即便在磁场为0.5 T时,发生器性能也得到明显提高,焓提取率达到加种子的水平;当入口总温提高到9 000 K,磁场由0.5 T提高到1.2 T时,等离子体结构稳定性和发生器性能得到提高;当入口总温超过9 500 K,磁场超过2 T时,发生器性能开始恶化。以Ar-Cs为工质进行实验时,测得的入口总温为2 150 ± 150 K,入口总压为0.20 ± 0.1 MPa,出口马赫数为2.2 ± 0.1(B = 0 T)或1.0 ± 0.2(B = 4 T),霍尔电流为600~700 A,电子温度为4 00~7 000 K(在r = 55 mm处)。数值模拟结果与实验结果保持很好的一致性。数值模拟结果表明,可以通过采用小扩张角、均匀强磁场、高电导率等离子体,足够大的压力梯度来克服紧凑型发生器的缺点,提高发生器性能,使发生器输出功率密度达到0.76 GW/m3,等熵效率达到51%,焓提取率达到17%。

      2)法拉第型发电

      1959年,阿夫科公司建造了功率为11.5 kW的实验性法拉第型磁流体发电机,这一装置采用3 000 K的氩等离子体喷流作为工质,通道长宽高尺寸为500 × 75 × 25 mm,通道两侧等距离放置40对电极。由于等离子体与磁场之间的强烈相互作用,实验观察到了可观的压力降。1959年后期,阿夫科开始和一些电器企业合作,建造了一个大型的实验性发电机,其长宽高尺寸为1 500 × 225 × 75 mm,使用的磁场强度为3.2 T,以酒精燃料燃烧后产生的高温气体为工质,发电机输出功率为1.5 MW。1960年,西屋公司也建造了尺寸与阿夫科公司前期建造的发电机大致相同,但是实验中的工质为添加了碱金属种子的高温燃气并且采用了耐火材料,通过这些改变,发生器的运行时间延长到了1 h左右。1964年,田纳西州的阿诺德科学研究中心在类似的发电机上进行工作,为风洞提供所需的功率[2]。Murray[19103-104]等采用了短时高频脉冲(2 ns,100 kHz,约10 kV/cm)电离方法、最大6 T的超导磁铁,实验研究了低温高速来流非平衡电离MHD发生器的性能。实验结果表明,当磁场强度B = 0 T时,等离子体主要耦合在边界层上,但是当加了磁场之后,等离子体分布就向主流区移动,表明磁场在等离子体分布中扮演重要的角色;采用微波衰减技术测得峰值电子数密度在5 × 1011~5 ×1012 cm–3之间。俄亥俄州立大学开发了一种新的非平衡等离子体超音速MHD风洞实验装置,能够在超音速MHD实验段产生稳定均匀扩散的等离子体流[105-108]。利用该实验装置,Nishihara[109-111]等对MHD发电通道进行了一系列研究。在磁场强度为1.5 T,射频放电功率为500 W时,实验测得的霍尔参数β近似为3,电导率约等于0.05 mho/m;当洛伦兹力与流动方向相反时,边界层的密度波动强度增加了10%~20%;焦耳热对边界层气体密度波动的影响可以忽略不计。采用激光散射方法对磁场强度为1.5 T,流速为3 Ma的实验段边界层进行可视化的研究结果表明,随着雷诺数的增加,边界层流动变得更加混乱,温度波动的空间尺寸减小,通过激光差分干涉实验测量技术测得的边界层密度波动结果表明,边界层转戾发生在滞压为200~500 Torr之间,当洛伦兹力对流体减速时,静压上升17%~20%,而洛伦兹力对流体加速时,静压上升仅为5%~7%。当边界层滞压从150 Torr变化到450 Torr时,雷诺数从2.7 × 105变化到8.1 × 105。由美国空军发起的HVEPS(Hypersonic Vehicle Electric Power System)项目[112-114],在5年的时间里完成了各种机载高超声速MHD发电系统集成和运营等相关工程技术的研究,2006年12月建成了高超声速MHD发电的地面测试系统,2007年8月成功完成了地面测试实验。

      日本对法拉第型发生器的研究也投入了相当多的人力、物力和财力。Tanaka[115-119]等以激波风洞设备为基础,实验结果表明,通过提高入口总温可以使等离子体从非均匀不稳定状态逐渐转变为均匀稳定状态并提高了法拉第型发生器的输出功率。对于不同的惰性气体,等离子体从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定状态所需的入口总温各不相同,氦气所需的入口总温要高于氩气,氙气所需的入口总温最低。Tanaka[120]等以激波风洞设备为基础,实验研究高温纯氩气线性型法拉第发生器,当入口总温为9 000 K,总压为0.105 MPa、磁场强度为4 T时,最大输出功率达到15.5 kW,对应的焓提取率为11.3%,在第4对电极处,最大功率密度达到187 MW/m3,输出功率和等离子体发光波动较小,等离子体相当稳定;当入口总温从8 000 K提高到9 000 K时,发生器性能获得显著的提升,电极附近压降明显,是导致发生器性能下降的重要原因。Murakami[121]等用短时脉冲激波实验设备,入口总温从7 000 K增大到9 000 K,磁场强度从2 T增大到4 T时,发现通道的等离子体从入口处的热电离平衡态逐渐变为MHD通道中的弱非平衡电离态,放电结构相当稳定,发生器性能随入口总温和磁场强度的增加而单调递增;当总温达到9 000 K,磁场强度达到4 T时,焓提取率达到13.1%,通道平均功率密度达到0.16 GW/m3,局部功率密度达到0.24 GW/m3。Komatsu[122]等实验研究在入口总温为9 000 K、总压为0.105 MPa、磁场强度为4 T的条件下,发现无论是采用线性霍尔连接方式或对角连接方式,通道中等离子体均较为稳定;当采用霍尔连接方式时,焓提取率为5.6%;当采用对角连接方式时,斜连角范围在53°~66°时,焓提取率为6.7%,斜连角范围在36°~48°时,焓提取率为10.1%。

    • 北京航空航天大学的郑小梅[123-126]对超然冲压发动机的磁控进气道进行了数值模拟,结果表明,外加磁场作用于弱等离子体流可使非设计马赫数下进气道激波满足SOL(Shock on Lip)条件,并使出口处的流动变得均匀;当飞行马赫数大于设计马赫数时,采用磁控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点,并减小燃烧室入口处的马赫数。吕浩宇[127-129]对三维磁流体发电通道内流动特性的研究结果显示,通道内的马赫数和总焓均降低且在主流区中沿磁场方向的平面内出现了二维流动效应,电流扭曲现象随着磁相互作用参数的增大而越发明显,甚至出现了涡电流;霍尔效应可以延缓涡电流的产生,同时也破坏了通道中流场、电场以及焦耳热的对称性;对考虑霍尔效应的压缩管道进行了数值模拟并与直方通道进行对比,发现压缩管道内出现了严重的二次流现象并产生沿流向的电流,使得发生器的焓提取率降低,所以压缩通道的发生器性能要弱于直方通道的性能;输出电能、焓提取率与通道横截面积呈非线性。由于涡电流和二次流效应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,二次流较弱,而形状参数较大的发生器焦耳热较小,二次流增强。然而吕浩宇是基于电导率在通道内均匀分布的假设下进行的模拟研究,且对维持恒定电导率所外加的电离能未加入能量方程中,这与实际情况不符合。许振宇[130]采用分裂式算法对直方通道磁流体发生器的电磁效应进行了模拟,结果表明分列式算法在超声速磁流体发电器等截面管道流动的数值计算中是具有可靠性的。南京航空航天大学的黄浩[131-133]等主要从不同负载系数、不同磁场强度、不同电极/绝缘比S以及不同电离花费这4个方面对高超声速磁流体发生器性能进行数值模拟,当负载系数为0.5时,输出功率达到最大;磁场强度为8 T,电导率为20 mho/m,管道长度为0.5 m时,可将来流从6 Ma降至3 Ma以下且温度能够保持在800 K以下;当S = 1时,焦耳热最小,有利于对来流的焓提取,但要增加电极布置密度;电离花费(单位:MW/m3)为0.06、0.6、6、30、300时,产生的电导率(单位:mho/m)分别为0.28、0.9、3、7、27,当电离能量花费为30 MW/m3,磁场强度为10 T时,能量提取率达到26%,发生器性能达到最佳。中国航天空气动力技术研究院的胡海洋[134]等采用无虚拟时间步长LUSGS预处理BI-CGSTAB算法对大霍尔系数下电离气体与磁场相互作用规律进行研究,在霍尔系数为102量级条件下,如不抑制霍尔电流,电磁力作用效果将大大降低,阴极冷却可以有效地抑制霍尔效应,阴极冷却越好,霍尔系数越小。此外,由于等离子体磁流体的电磁效应在流动控制方面具有广阔的应用情景,因此在这一方面,国内也进行过相关研究[135-142],主要围绕高超声速前体/进气道的MHD流动控制、进气道边界层分离、高超声速弱电离气体绕钝头体/楔形体等流动控制的研究。

    • 我国的等离子体磁流体发电实验研究起步于20世纪60年代初期并且主要以燃煤磁流体发电研究为主,中科院电工所首先参与了燃煤磁流体发电的研究,上海发电设备成套研究所、东南大学等也先后加入了等离子体磁流体发电的研究。中科院电工所在1964年、1965年研制的燃煤磁流体发电机分别发出了80 W、300 W电功率,其中1965年的改进型发电机组成功运行了3 min并在1966年的成果展览会上展出。1972年上海电机厂特种电机研究室研制成功了当时我国容量最大的短时间磁流体发电机,输出功率为580 kW,运行1 min。1974年,南京工学院[2143]磁流体研究小组建成了我国第一台能提供1 500 ℃高温预热空气的石球式高温预热器的小型磁流体发电机装置JS-1并进行试验测试,该装置主要由磁流体发电机、逆变器、燃烧室、高温气体预热器、种子回收设备、测量方法以及蒸汽发生器等。1978年,他们又研制了我国第一台小型的民用磁流体发电机,其输出功率为12 kW,累计运行时间达到了1 000 h。在此试验基础上,南京工学院的周纪瑜[144]还对JS-2磁流体发电机电极的温度场与热应力进行了数值分析,认为陶瓷电极与金属电极的工作温度均低于其最佳工作温度,宜将陶瓷电极片厚度增加1~2 mm,使其工作温度达到1 600 ℃,以改善其工作性能;陶瓷电极片冷端面温度低于300 ℃,不利于电极片冷端面的导电,必须提高背面温度;电极绝缘层前端(迎火面)因温度过高而烧毁;陶瓷电极铜肋靠近迎气流面处温度已达300 ℃,超过绝缘硅橡胶使用温度,必须降低其工作温度;MHD通道中电场与磁场的存在使燃气向电极壁的放热系数增加大约18%,与无磁场状态相比,陶瓷电极峰值温度增加90 ℃左右,金属电极增加45 ℃左右。由于燃煤磁流体发电能够将矿物质燃料发电厂的发电效率提高到50%以上并且输出功率极高,因此在20世纪60年代到90年代一直是国际研究的重点,国内研究者[145-148]详细介绍了国外有关研究进展和研究计划,总结了国外燃煤磁流体发电实验的经验和教训,为我国燃煤磁流体发电提供很好的建议,对燃煤发电通道的一些关键问题进行分析研究[149-158]

      进入21世纪后,我国的等离子体发电研究也开始转向了多元化应用研究,其中包括了爆炸型磁流体发电、高超声速飞行器进气道的流动控制、空间核能磁流体发电等。

      爆炸磁流体发电机是利用高能炸药在爆炸室中爆炸生成的高温高压等离子体进行发电,这种发电机能够输出高功率电脉冲,很适合应用于高功率微波发生器中。中科院的李希南[159]建成了国内首套研究型爆炸磁流体发电装置,发现容器直径与炸药柱直径之比过大的容器不能作为爆炸等离子体发生器;研制成功可以承受24 kV电压和74.3 kA电流多次脉冲击的高场磁体实验装置,可重复利用的发电通道,爆炸压力测量、脉冲磁场测量、高低电压隔离等测量系统。空军工程大学的李益文[160-162]等采用电容耦合射频放电电离超音速气体,以Ar为工质、K2CO3为种子对MHD发生器进行初步试验,通道入口总压为0.32 MPa、总温6 504 K、磁场强度为0.5 T、出口速度为1 959 m/s,实验测得的电导率约为20 S/m,当负载系数为0.5时,输出功率达到了4.797 1 MW/m3,焓提取率为0.34%。稳定的超音速流可以保证放电试验的可靠性;超音速流的放电区域相对较小且空间分布随时间变化;等离子体的扩撒受磁场限制导致电离度提高。尺寸为16 mm × 10 mm × 20 mm为MHD发电通道,在3.5 Ma、质量流率为0.023 kg/m3、磁场强度为1.25 T的条件下,测得的开路电压为10 V,当磁场强度为1 T时,可稳定输出功率0.12 MW。

    • 本文回顾了等离子体磁流体发电的发展历程,重点分析了等离子体磁流体发电研究的关键问题和研究热点,得到如下结论:

      1)对等离子体磁流体发电的研究将会不断深化,其应用范围也会越来越大,潜在的应用价值将被逐渐揭示;

      2)无论是应用于高超声速飞行器的磁流体发电还是空间核能磁流体发电,目前的研究还处在理论和实验研究阶段,距工程化应用还有一定的时间,还需要相当多的技术积累;

      3)对等离子体磁流体发电技术的研究将会带动磁流体动力学、等离子物理、高温技术、材料科学等相关领域的发展,促进航空航天技术的进步。

参考文献 (162)

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