336 深空探测学报 2018年 以及盘式发电通道旋流叶片导电或绝缘时对盘式发电界层的流动现象进行了详细的研究,并称这一现象为 通道性能的影响。结果表明,激发态原子的辐射跃迁“ Extended hartmann flow”。数值模拟和实验结果表 对MHD发电机具有强烈的负面影响,因为辐射跃迁结明,绝缘壁面边界层的 Extended hartmann effects对 合过程使得结合速率要高于只考虑碰撞跃迁的情况,MHD发电机性能具有重要的影响。普林斯顿大学的 使得采用CR模型的电导率要比其它模型的低。采用导 Macheret",等采用电子束电离的方法,研究了高速 电的旋流叶片时,在旋流叶片区域的电子温度较高:低温来流法拉第型MHD发生器的电离动力学方程、电 而采用绝缘旋流叶片时,电子温度较低。在环形电极子束电离分布以及电极和边界层的重要性。文章认为 处,无论是采用导电旋流叶片还是采用绝缘旋流叶片,采用热电离时,边界层温度要远高于主流区,使得边 电子温度并无明显差异,发电机的性能几乎相同 界层电导率极高,容易导致边界层短路:在0.1个大气 荷兰的埃因霍芬理工大学( Technische Hogeschool压下,若要提取到几MJkg的能量,则通道长度需要 Eindhoven)是较早研究磁流体发电的高校之一,其诸 m,电子数密度要达到102~103cm3;由于电子 多研究成果后来被日本继承并发展。Hara等基于激束电离不受气体温度和电场高低的影响,因此无论在 波风洞设备所进行的发电实验的参数和Ar/Cs混合气体低温还是在低电场中,电子束电离方法都可以产生足 工质,对法拉第型磁流体发电机的数值模拟表明,电够的电导率,是电离低温气体最有效的方法 极附近电流密度大,通道内形成明暗相间的条纹状等 gaitonde-.用三维数值模拟方法研究了AJAX的能 离子体结构,在亮条纹内电子温度在4000~6000K,量旁路系统,文章采用高精度鲁棒法( Robust High- 在暗条纹内电子温度在2500K左右时,模拟结果与实 Resolution Technique)求解包含电磁源项的三维 验观察到的现象一致。 eefkind等通过实验和数值 Navier- Stokes方程,着重分析在给定的等离子体环境 模拟,研究了等离子体特性与磁流体发电机的性能关中的电磁效应,MHD发电机和MHD加速器均假设为 系。实验测得盘式发电通道的焓提取率较低,在滞压法拉第型并且分别安装在进口压缩通道和出口扩张通 为042MPa、滞温为2100K的实验条件下,得到的焓道上。结果表明,MHD发电机可以有效地降低入口来 提取率为18%。进一步实验表明,由于电离的不稳定流的速度和总温:由于轴向霍尔场的存在使流体流动 性导致电离分布不均匀,使实验测得的电导率和霍尔方向上产生了涡电流,在一定程度上影响了设备的性 参量偏离理论值:当等离子体的霍尔参数低于临界霍能:不管是MHD发电机还是MHD加速器,在相互作 尔参数时,等离子体会变得相对稳定 用参数较大时,都能产生很高的效率 俄罗斯的 Dogadayev等以氩/铯混合气体为工质, 在日本,法拉第型发生器的研究包含了高超声速 对盘式磁流体发电通道进行了数值模拟。在工质流量飞行器的磁控气道和空间核能磁流体发电两个方面。 为1700kg/s,种子浓度1.6×10、滞温2200K、滞压筑波大学的 Ishikawa等认为电极附近的电流对等离 2MPa等条件下,获得34%的焓提取率,75%的等熵效体分布具有重要影响,文章采用三维数值模拟方法研 率。此外, Payshuk等对空间核能磁流体发电系统进究了电极附近电流的分布情况。结果表明,强霍尔效 行探索,提出一种开环磁流体发电系统,以氢气为工应导致电流密度在阳极上游边界较大,导致相应的温 质,以铯为种子,对一个热功率为200MW的发电系统度也很高,洛伦兹力在强电流区较强,导致强电流区 进行了热分析。在反应堆出口温度为3100K、出口滞域向上游移动;强霍尔效应同时导致了阴极下游的强 压为5MPa、工质流量为5kg/s的条件下,当采用磁场电流区,且洛伦兹力倾向于将电流拖离阴极。筑波大 强度为6T时,获得20.1Mw的电能输出。 学的 Tamada等认为超然冲压发动机进气道的MHD发 2)法拉第型发电研究 电机的横截面需要根据实际需要而灵活变化,在最佳 对于法拉第型发电通道,美国方面的研究主要集负载系数条件下,只要在相同坐标位置的横截面积相 中于高超声速飞行器上。在常物性的MHD流动中,绝同,无论横截面形状是正方形还是长方形,发电机输 缘壁面边界层由于速度的降低导致了电流密度的变出功率均超过10MW且满足 HVEPS项目的目标要求 化,从而产生变化的体积力,影响边界层的流动,这也就是说只要横截面积相同,横截面形状可以灵活选 现象称为哈特曼流( Hartmann Flow),而导电气体择。筑波大学的 Takahashi等认为HⅤEPS实验采用的 由于其物性参数的变化,其绝缘壁面边界层的流动特是DCW( Diagonal Conducting Wal)型发电通道,而 性更为复杂。为此,美国斯坦福大学( Stanford DIw( Diagonal Insulating wal)型、HCW(Hal University)的 Rankin等对可压缩气体的绝缘壁面边 Conducting Wal)型和HW( Hall Insulating Wall)发
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[17，68-73]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 HighResolution 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 336 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 337 电通道并没有进行过相关的实验研究,因此作者采用得的焓提取率为13.1%,与实验结果(12.9%)相近。 三维数值模拟方法研究了DCW、DW、HCW、HW型21.2实验研究 发电机并与法拉第型发电机进行对比。结果表明, 1)盘式发电 DCW型发电机获得的输出功率最大;与DIW和HIW型 由东京工业大学采用Fuj-1磁流体发电研究设备 发电机相比,DCW和HCW型发电机的壁面电极能够抑(1981-1999年)进行了一系列闭环盘式磁流体发电 制压降损失:霍尔型发电机HCW和HⅤ的输出功率较的研究,其中一个重要目的就是证明闭环盘式磁流 小,法拉第型发电机输出功率与DCW型发电机的相体发电机在低种子浓度和运行时间内具有高焓提取率 近,但其负载连接方式复杂,预算花费较大,因此文的优点。在十几年间,利用Fuj-1设备先后进行的盘式 章认为DCW型发电机最适合用于超然冲压发动机实发电实验研究包括Dsk-F3a、F3r、F4。在入口滞压为 验。日本筑波大学的 Gotoh等对 HVEPS超然冲压发动0.46MPa,滞温为1850K,热输入为2.57MW时, 机MHD发生器进行了数值模拟,其计算程序包含非稳Disk-F3a获得的最大输出功率为404kW,焓提取率为 态的 Navier- Stokes方程,服从于MHD假设的稳态15.7%,当入口滞压为0.60MPa,热输入为34MW Maxwe)程和热化学平衡方程等,得出以下结论:在时,Disk-F3a获得的最大输出功率为517kW;当滞压 小尺寸测试实验下,由于小磁相互作用数而引起的流为024MPa、入口滞温为1930K时,热输入为165MW 场波动可以忽略不计;当标量电导率采用比热化学理时,Disk-F3r获得的最大输出功率297kW,焓提取率 想值降低0.8313时,数值模拟结果与实验结果吻合得相为18%。对Disk-F3a,F3τ的实验硏究证明了盘式发电 当好,虽然将电导率降低为理想值的19%的原因并不机具有较高的发电性能,同时也表明了盘式发电机还 清楚,但是却是合理的,因为存在不完全燃烧和流场有很大的提升空间。1994年,该大学又进行了Disk-F4 的非均匀性:电极附近的压降是MHD诱导电压的0.3~的研究,在2.75MW的热输入功率下,Disk-F4实验获 04倍且数值模拟结果与实验结果能够很好地吻合。另得了506kW的输出功率和184%的焓提取率,在试验 外,筑波大学的 Nagakubo等通过数值模拟研究对角过程中也观察到了一些问题,如种子附着在电极和绝 线型DCW、DIW发生器和分段法拉第型发生器的性缘壁面上,工质混入大量的水蒸气杂质造成输出功率 能,结果表明,DCW发生器输岀功率最大:法拉第型下降。通过采用不锈钢涂层阳极替代铜材料阳极来消 发生器在最大输出功率条件下,电效率最高:3种发生除种子材料附着的问题,采用提高热交换器底部温度 器的磁相互作用数均较小,流场基本无差异。 来减小杂质对工质的污染后,在最后一次的Dsk-F4实 东京工业大学的 Matsumoto等采用一维和二维验中,当热输入功率为3.38MW时,获得的输出功率 非稳态数值模拟方法研究脉冲激光等离子体动力学与为544kW,当热输入功率为2.17WM时,获得的焓提 脉冲激光MHD发生器的性能。其结果表明,发生器的取率为189%。 焓提取率为10%~30%,达到了传统加种子的MHD发 1990年代,微波射频电离被认为是产生和控制盘 生器的性能;发生器输出功率随时间推移存在不同峰式发生器等离子体最有效的方法叫,但是当时还缺乏 值,第一个峰值出现在最初的高电导率等离子体流动对射频电磁场辅助电离的相关实验研究。为验证射频 时,第二个峰值输出功率稍低,但持续时间长,对发电磁场辅助电离的有效性, Fujino等以Ar-Cs为工 生器输出功率的贡献最大;随着脉冲激光能量输入的质,采用激波通道实验设备,分别硏究了入口总温为 增加,发生器的焓提取率也在不断增大。东京工业大2275±75K和2650±50K条件下盘式发电通道性能。 学的 Tanaka等对以高温惰性气体为工质的法拉第通其结果表明,当采用射频电磁场辅助电离时,较低入 道进行了二维数值模拟,结果表明,若要使等离子体口总温的发生器性能得到明显提高,而高温入口的等 从非均匀不稳定状态转化为均匀稳定状态并提高发生离子体稳定性也得到提高,输出功率也有所增大。在 器的性能,则以氦气为工质时,入口总温要从11000Kr-Cs为工质的实验基础上,Itoh则等进一步研究了He- 增至14000K:以氩气为工质时,入口总温要从7000Cs为工质的等离子体发生器。其研究结果表明,射频 K增至10000K:以氙气为工质时,入口总温要从电磁场能够在较大的种子和负载变化条件下提高发生 5000K增至9000K。在低温条件下,氙气的电离波动器性能。 Murakami等认为加种子的方法会使系统复 最小,氦气的焓提取率最大:在高温条件下,离子与杂化且无法精准控制种子浓度,因此他们以纯氩气为 电子的碰撞成了主要碰撞,电导率对电子数密度的依工质,射频电磁场的频率为13.56MHz,功率为5kW, 赖性下降;当采用氩气为工质,外加负载为1Ω时,获研究结果表明,尽管射频电磁场的输入功率小,但是
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。 2.1.2 实验研究 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HeCs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 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 337