第5卷第4期 深空探测学报 Vol 5 No 4 2018年8月 Journal of Deep Space Exploration August 2018 等离子体磁流体发电研究进展 黄护林,李林永,李来,刘飞标2 1南京航空航天大学航天学院,南京210016;2.中国空间技术研究院总体部,北京10094) 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 关键词:磁流体发电:等离子体;数值模拟和实验:航天动力 中图分类号:O441 x献标识码:A 文章编号:2095-77772018)04-0331-16 DO:0.15982/ssn2095-7772018.04.003 引用格式:黄护林,李林永,李来,等.等离子体磁流体发电硏究进展].深空探测学报,2018,5(4) 331-346 Reference format: HUANG HL, LILY, LI L, et al. Research progress of plasma magnetic fluid power neration[]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346 0引言 1等离子体磁流体发机电工作原理 导电流体沿垂直于磁场方向运动时,在磁场和导 等离子体磁流体发电机按照电流输出方式可分为 电流体运动的正交方向上产生感应电场,将流体的霍尔型发电机和法拉第型发电机,这两种发电机的工 动能转化为电能,称为磁流体发电。其中,等离子作原理不尽相同 体磁流体发电是一种新型环保高效的发电方式。等1.1霍尔型发电机 离子体是一种具有导电性质且有别于一般导电流体 盘式发电通道是霍尔型发电系统最具代表性的结 的物质第4态,因此对磁场作用下等离子体的研究要构,其工作原理是等离子体在磁场作用下,受到与流 比一般导电流体复杂得多,其研究领域涉及磁流体动相反的切向洛伦兹力,电子和离子沿切向方向产生 动力学( Magnetohydrodynamic,MHD)、等离子物偏转而产生环形法拉第电流ls同时,沿径向的正离 理、高温技术、材料科学等。1959年,阿夫科公司成子和电子受到相反的径向洛伦兹力而被分开,形成径 功建造了功率为115kW的实验性等离子体磁流体发向霍尔电流J,在通道入口和出口各放置一对环形电 电机,这种发电机没有机械运动部件,能够将热能极将霍尔电流引出,如图1所示。盘式磁流体发电机 直接转换为电能,转换效率高。经历了半个多世纪的法拉第电流相当于短路,输出的是霍尔电流,其输 的发展,等离子体磁流体发电理论在不断完善,实出电压要比法拉第通道的高,输出的总电能大,焓提 验所用的发电通道结构在不断改进,应用领域也在取率高:磁体系统可由圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈 不断扩展。2005年,美国将等离子体磁流体动力学列提供,可以产生平行的磁力线 为空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础 霍尔型发电机还有另外一种重要结构,其模型及 领域之一,我国在《国家中长期科学和技术发展规相关实验结果如图2所示。这种通道结构通过导线连 划纲要(2006—2020)》中也将等离子体磁流体动接法拉第电极使法拉第电流短路,将通道第一对电极 力学列为面向国家重大战略需求的基础研究121。和最后一对电极与外负载连接,从而输出霍尔电流 2011年5月12日,空军工程大学建成了我国首个国家 对盘式等离子体磁流体发电机结构的研究主要集 级等离子体动力学实验室,使我国进入了等离子体中于通道壁面形状、入口结构、出口/入口横截面积 动力学研究的前沿领域。 比、电极排布等。因边界层的充分发展会降低发电机 收稿日期:2018-04-10修回日期:2018-06-01 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
等离子体磁流体发电研究进展 黄护林1，李林永1，李来1，刘飞标2 （1. 南京航空航天大学 航天学院，南京 210016；2. 中国空间技术研究院总体部，北京 10094） 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。 关键词：磁流体发电；等离子体；数值模拟和实验；航天动力 中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：2095-7777（2018）04-0331-16 DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003 引用格式：黄护林，李林永，李来，等. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报，2018，5（4）： 331-346. Reference format: HUANG H L，LI L Y，LI L，et al. Research progress of plasma magnetic fluid power generation[J]. Journal of Deep Space Exploration，2018，5（4）：331-346. 0 引 言 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。 1 等离子体磁流体发机电工作原理 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。 1.1 霍尔型发电机 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。 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。 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 第 5 卷 第 4 期 深 空 探 测 学 报 Vol. 5 No. 4 2018 年 8 月 Journal of Deep Space Exploration August 2018 收稿日期：2018-04-10 修回日期：2018-06-01 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
332 深空探测学报 2018年 面的线圈 磁场方向 霍尔电流 法拉第电流 下面的线圈 工质 (a)结构 (b)电流 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 负载 (a)结构 (b)实验研究 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 性能, Murakami等通过研究盘式通道电极间的4种壁用凸面扩张通道时,边界层抑制作用要比其他3种壁 面形状(凹面扩张通道、线性扩张通道、凸面扩张通面形状强,发电机性能最好(如图3所示)。Liυ berati 道、高曲率凸面扩张通道)对发电性能的影响发现 等也获得同样的结果。 流速/(ms-) (a)凹面扩张通道 (b)线性扩张通道 (c)凸面扩张通道 (d)高曲率凸面扩张通道 图34种盘式电极间壁面形状 Fig 3 4 types of wall shape between electrodes 如图4所示,增加导流叶片可以减少发电段的入 发电通道扩张角过大,则不利于提高发电机的等 口损失,从而提高了发电机的输出功率和焓提取率;熵效率和焓提取率,因此采用小的扩张角是适宜的叫 当导流叶片旋转比率(S=U/Ur,U为切向速度, Murakami等在传统盘式发电机的阴阳极之间增加 U为径向速度)为1时,输出功率最大:采用导电导中间电极,将发电机分成上游和下游两个区域,形成 流叶片时,导流叶片区域的电子温度要高于采用绝缘 个二负载的盘式等离子体发电机(图5),其研究结 导流叶片的,但是发电机性能并无多大的变化門。 果表明,当上游负载大于或等于下游负载时,发生器
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。 如图 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 /Ur，Uθ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]。 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 （a）结构 （b）电流 工质 工质 工质 法拉第电流 磁场方向 霍尔电流 霍尔电流 下面的线圈 流出 流入 上面的线圈 r z θ Jθ Ur B 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 （a）结构 （b）实验研究 阳极 阴极 负载 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 （a）凹面扩张通道 （b）线性扩张通道 （c）凸面扩张通道 （d）高曲率凸面扩张通道 阳极 阴极 流速/（m·s−1） 0 600 1 200 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 图 3 4种盘式电极间壁面形状 Fig. 3 4 types of wall shape between electrodes 332 深空探测学报 2018年
第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 333 输出功率较髙:上游焓提取率过多时,下游则无法获电极结构能够使入口双阳极之间的等离子体种子获得 得较高的能量转换效率。Inui研究了在入口处设充分电离,使发电机性能提高,但会引起较大的总压 置一对分开的阳极并将这对阳极用外接导线短路,这种损失 可视端口 (a)无导流片入口 b)导流片入口 图4盘式发电机入口结构 P4 第1阳极 第2阳极 第1电极(E1) 第2电极(E2) 负载 第3电极(E3) 扩散器 可视窗口(L1-3 静压口(S1-S10 压口(T1-T5) 0.l8m0.3m 0.7m (a) Murakami模型 (b)Inu模型 图5二负载盘式结构 Fig 5 Two loads disk MHD generator 12法拉第型发电机 气、惰性气体、氢气等。为了提高磁流体发电机的性 分段法拉第型发电结构是法拉第型发电机最具代能,必须提高工质的电导率及保持电导率的稳定。在 表性的结构,其由若干对平行不连续的电极分立通 气体中加入少量的碱金属种子的混合气体可以在较低 道两侧而组成的,同侧电极之间采用绝缘材料阻 电子温度下实现较高的电子数密度。然而,额外增 隔,如图6所示叫。其基本工作原理是在磁场的作用加涉及碱金属的子系统,不仅会降低发电系统的质量 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 功率比,还会增加发电系统的复杂性,不适合用作 霍尔效应不同,法拉第通道分段电极的设计是尽可深空探测的电源系统。目前,采用对气体预电离的方 能抑制霍尔效应的产生。图7为几种常用的法拉第型法以提高气体电导率较常用。提高气体电导率的方法 发电通道结构 除热电离外还有各种外部主动电离技术,主要包括 1.3提高工质导电率的方法 电子束电离、脉冲放电电离、微波电离甽、电容耦 等离子体磁流体发电的工质主要有高温燃气、空合射频放电电离等叫
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。 1.2 法拉第型发电机 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。 1.3 提高工质导电率的方法 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]。 （a）无导流片入口 （b）导流片入口 阴极 阳极 电探针 压力表 导流片 阳极 阴极 可视端口 S4 200 720 S1 S2 S3 r θ Δr Δθ B 图 4 盘式发电机入口结构 Fig. 4 Inlet structure of disk MHD generator （a）Murakami 模型 （b）Inui 模型 0.18 m 0.3 m 0.7 m 1.2 m 250 mm 170 mm 80 mm 下游通道 上游通道 Rd Ru 电探针 （P1-P4） 第1电极（E1） 第2电极（E2） 第3电极（E3） 静压口（S1-S10） 总压口（T1-T5） 可视窗口（L1-L3） T5 S10 S9 S8 S1 S2 L1 L2 L3 T1 T4 S7 P1 P2 P3 P4 T2 T3 S3 S4 S5 S6 导流片 管口 喉部 第1阳极 第2阳极 负载 阴极 通道 扩散器 图 5 二负载盘式结构 Fig. 5 Two loads disk MHD generator 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 333
334 深空探测学报 2018年 近电极边界层 极 电子束 (a)结构 (b)电流 图6分段法拉第型发电机结构和横截面电流分布 gmented Faraday type Mhd generator and cross section current 阳极 陶瓷壁 扩散段 放电电极放电室 0:O:G MHD 位:mm 有源发电通道 过渡管道 a)连续电极型 b)分段法拉第型 (c)对角线型 图7常用的法拉第型发电通道结构 Fig 7 Typical Faraday MHD generator channels 2国内外研究回顾 拟结果表明,采用射频电磁场可以抑制电离度和电子 21国外研究回顾 温度的波动,从而提高发电机焓提取率和等熵效率 Liberate-等采用大涡模拟方法,二维数值模拟盘式发 2.1.1数值模拟 由于数值计算科学的快速发展,数值模拟逐渐在通道的 non-MHD流和MHD流。研究结果表明,non 科研中发挥着越来越重要的作用,因此在等离子体磁MHD流和MHD流均在发电通道的下游发生边界层分 流体发电的研究中,很大一部分是采用数值模拟进行的 离,但是由于MHD效应的影响,MHD流的下游流线 1)盘式发电机的研究 分布逐渐变宽,在阳极区域发生边界层分离。 盘式磁流体发电是等离子体磁流体发电的一个重 Sakai等采用非稳态二维数值模拟与实验结果对比的 要研究方向,日本尤其重视,发表了大量的研究成 方法,研究发现入口总温对电导率影响最大,对其控 果。东京工业大学Shmi等采用三维数值模拟方法制十分重要. Harada等以Hecs为工质,研究发现盘 验证采用入口导流叶片的盘式发电通道实验结果。在 式发电通道入口旋流叶片的旋转比率S为1时,可将焓 低种子条件下获得的等熵效率要高于实验结果;当提 提取率提高到32.5%,同时可以降低入口附近静压由于 高种子浓度时,通道马赫数逐渐下降到以下:当种子洛伦兹力作用而急剧上升的幅度,使整个通道的霍尔 浓度在最佳值附近时,0方向上等离子体结构相当稳参量都保持在较高的水平。 Liberative等以Ar/Cs为工 定,相反则由于种子电离不充分而导致等离子体结构质,研究了盘式发电通道入口与出口的压力比值PR 非均匀不稳定性。 Tanaka等研究预电离纯惰性气体通道扩张比率AR以及阳极MHD段壁面形状对发生器 盘式发电道,揭示了当焦耳热密度高时,通道气体电性能的影响。结果表明:高PR值可使发生器获得较大 离度上升:当阳极电流密度大时,可引起垂直方向上的焓提取率,此时斜激波出现在MHD段与下游部分的 电离度的非均匀性从而导致边界层发生分离;氩和氙交界处;较小的AR可以提高等熵效率和焓提取率。当 等离子体的非均匀性和电离度的增加要比氦等离子体阳极附近采用平面型壁面时,阳极下游附近出现边界 的明显。 Murakan等研究了采用射频电磁场提高受层分离:阳极附近为外凸弧形壁面时,可以抑制边界 水蒸气污染的盘式发生器性能的可行性。二维数值模层分离,提高等离子体的稳定性,从而提高霍尔参量
2 国内外研究回顾 2.1 国外研究回顾 2.1.1 数值模拟 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，nonMHD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 （a）结构 （b）电流 气流 电子束 电子束 电子束 窗口 z x y y j z jy Bz u 电极 电极 边界层 近电极边界层 电极 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 （a）连续电极型 （b）分段法拉第型 （c）对角线型 有源发电通道 单位: mm 96 过渡管道 16 10 B U U×B 20 50 10 30 阴极 单位: mm 陶瓷壁 放电室 MHD 电极 放电电极 10 1 B 阳极 13 8 电阻 y x z 扩散段 绝缘法兰 图 7 常用的法拉第型发电通道结构 Fig. 7 Typical Faraday MHD generator channels 334 深空探测学报 2018年
第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 335 和发生器的发电效率:同时,在高马赫数低静压条件载和入口旋转比率来抑制。 Yamaguchi等对盘式发电 下,即便磁场很强,洛伦兹力也未对流场产生很大的通道r-θ平面进行二维数值研究结果表明,当入口静温 阻力。东京工业大学还研究了种子完全电离情况下沿径向随时间波动时,径向电导率分布不均匀,径向 对等离子体稳定性和松弛区域的影响;采用考虑气体电流和径向最大电势降低,发电机性能降低了13% 波动和激波等因素的一维分析方法分析盘式发生器的当静温沿方位角随时间波动时,径向电导率、径向电 实验结果:二维数值模拟分析了边界层、电极区以及流以及电极间的压降并无多大的变化,发电机性能稳 主流区的电流分布并硏究了绝热效率与焓提取率的关定;当静压或径向速度波动时,中间电极和阴极之间 系。Lou"等研究发现盘式发电通道入口种子浓度波的电导率有所提高 动频率为常数时,增大波动幅度使得焓提取率波动增 Kobayashi等以纯He为工质,采用预电离的方 大,平均值降低:当波动幅度一定时,焓提取率的波法提高盘式发电通道λ口气体电离度,二维数值模拟 动频率变化更大:无论是正弦波动还是随机波动,发结果表明,当入口预电离度达到479×10时,在磁场 生器性能均下降:当种子浓度波动频率为8~10kHz的强度为4T、负载为3Ω的条件,发电机性能达到了加 正弦波动时,焓提取率波动最大,平均值最低,因此种子的水平,此时焓提取率为22.7%,等熵效率为 盘式发电通道入口种子分数波动频率要避开此频率。 548%,预电离花费为热输入功率的2%。当边界层附 长岗科技大学主要研究的是以He/Xe混合气体为工近的电离度大于主流区时,由于洛伦兹力的作用增 质的闭环盘式磁流体发电机。 Harada等提出一种由强,导致边界层的充分发展,使得发电机性能下降 非平衡等离子体发生器驱动的盘式发电机( NPG/CCDisk)当边界层的电离度小于主流区时,发电机性能得到提 替代由推进剂燃烧产物的法拉第型磁流体发电系统,高。由于He的三体复合速率很低,He的电离度在不同 研究表明,当盘式发电通道为直通道时,获得的焓提结构尺寸的盘式通道中都近似为常数。 Kobayashi 取率不超过20%;当采用压缩-扩张通道时,在热输入等还通过三维数值模拟研究了非平衡等离子体在通道 功率为18MWt时,焓提取率达到40%:当氧化铝颗粒内的分布情况。在r-θ平面内,等离子体呈涡旋结构分 和残余氧气超过一定水平时,发电性能就会降低。长布;在r-截面内,若假设气体性质不变,则等离子体 岗科技大学还与美国马歇尔航天中心( Marshall Space分布呈柱状分布,当考虑到洛伦兹力和焦耳热的影响 Flight Center)合作,研究了核反应堆提供1800时,等离子体分布变得较为均匀。Iui1等提出一种 K的总温条件下,以HeXe混合气体为工质的空间核能新的非平衡等离子体盘式发电机优化设计方法以避免 磁流体发电系统,评估了各个子系统的热输入、能量传统设计方法过于繁琐的缺点,该方法包含7个步骤 耗散、压力损失、等熵效率等。文章指出,如果净发能设计出等离子体稳定、等熵效率高的发电机。通过 电功率达到1MW,则质量功率比可下降到3kg/kW;对r截面的二维数值模拟,研究其扩张通道出口背压 如果净发电量超过3MW,则质量功率比可降到2和不同负载对盘式发电机性能的影响,结果表明通过 kgkW以下。 Harada等通过二维数值模拟研究了以选择合适的背压条件,可以提高发电机性能,若偏离 Xe种子代替碱金属的闭环磁流体发电系统,如边界条最佳背压条件,发电机性能将会降低;通过不同负载 件与He/Cs工质的相同,则HeXe混合气体工质的发电的二维数值模拟结果与一维模拟结果进行对比,除高 机的性能远没有以HeCs的好;而通过预电离和增加负负载条件下,其余结果基本保持一致,而高负载条件下 载等手段提高入口电子温度,则He/Xe发电机性能就会的间歇放电现象首次进行了二维数值模拟。 Ishikawa 得到大幅提高并可获得40%的焓提取率,但是文章并等通过数值模拟研究了盘式发电机性能并与实验进行 没有研究如何提高初始电导率和保持等离子体的稳定对比,表明一维分析可以很好地预测强电磁相互作用 性及其对发电效率的影响。此后, Harada等研究了下的盘式发电机性能;在接近短路的情况下,流动不 三体复合速率对电离稳定性以及电离稳定性对磁流体稳定増长与实验结果有某种程度上的吻合:即便忽略 发电机的影响。结果表明,采用普遍使用的 Hivnov与氩气的电离过程,发电机性能也可以很好地被预测 Hirschberg三体复合速率曲线时,由于电离的不稳定性模拟结果显示,焦耳热密度大有利于保持等离子体的 导致了盘式发电通道放电场形成了涡旋结构:在更高稳定性,但过大的焦耳热密度会降低发电机性能,因 的电子温度下,采用 Biberman三体复合速率曲线,可此作者建议采用多负载结构以提高盘式发电通道性 以获得稳定的焓提取率,此时放电场和电离相当稳能。 Takahashi Ichinokiyama等采用数值模拟方 定。电离的不稳定性可以通过降低种子浓度、增加负法,以氩气为工质,研究了碰撞-辐射速率模型(CR)
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） 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 335