爆轟磁流體發(fā)電概念及核心問題研究.pdf

1、弱電離非平衡等離子體的研究一直都是世界研究的熱點．磁流體發(fā)電是一種高效、低污染的新型發(fā)電方式。由爆轟或非平衡放電技術產生高速弱電離等離子體，并利用磁流體原理對其進行能量轉換與提取是一個十分新穎而極具挑戰(zhàn)性的研究課題。對于該課題的研究不但對于開發(fā)新型磁流體發(fā)電技術具有實際意義，而且對高超音速流動控制、飛行器減阻、磁流體推動以及軍事上的等離子體隱形等相關領域都具有十分重要的潛在的科學、技術和實際意義。 提出了一種新型的爆轟磁流體發(fā)電

2、系統(tǒng)概念，系統(tǒng)采用脈沖爆轟產生高速流體結合外部非平衡高頻強電場的作用下獲得具有高導電性的高速非平衡等離子體進行磁流體發(fā)電。爆轟磁流體發(fā)電的兩個核心問題是高導電性非平衡等離子體的產生和非平衡等離子體的磁流體特性。本文研究始終圍繞爆轟磁流體發(fā)電的這兩個核心問題展開，從試驗研究和理論分析入手揭示了爆轟導電性的本質和非平衡等離子體的磁流體相互作用機理，為進一步建立爆轟磁流體發(fā)電系統(tǒng)提供理論基礎和發(fā)展方向的指導。本文的工作主要按照以下六個章節(jié)展開

3、： 第一章是本文的緒論部分。針對磁流體發(fā)電原理以及脈沖爆轟和非平衡等離子體技術提出了采用爆轟和高頻強電場作用非平衡等離子體作為磁流體進行磁流體發(fā)電的構想，進而提出了這一研究的兩個基本核心問題，即1）非平衡弱電離等離子體的生成問題；2）生成的這種非平衡等離子體與磁場的相互作用問題。對與課題相關的研究工作進行了大量的文獻綜述，在前人的工作基礎上提出本文的研究內容。 第二章圍繞弱電離等離子體的產生問題主要研究了在爆轟過程中爆轟

4、波上的電導率。為了提高化學燃料的利用效率，采用脈沖爆轟代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緩慢燃燒進行磁流體發(fā)電首先要求爆轟波具有一定的電導性?；诖四康谋菊率紫冉⒘藲庀啾Z電導性試驗系統(tǒng)，通過試驗測量了H2/O2系統(tǒng)的爆轟電導率，并與前人的結果進行了比較。在試驗基礎上根據熱電離機理建立了爆轟電離模型，并通過量子化學計算方法對該模型的一些參數進行了求解，通過該模型計算了含碳的C2H2/O2和不含碳的H2/O2系統(tǒng)爆轟波的平衡區(qū)和非平衡區(qū)的物理參數．引用了大量的

5、試驗數據與計算結果進行了比較，說明了該模型的正確性。 由于爆轟產生的高速流體電導率較小。使得其與磁場的相互耦合能力較弱，在第三章中提出采用外部非平衡電離的方法產生非平衡等離子體，以提高等離子體的電導率。首先給出直流低頻電場產生并維持平衡態(tài)等離子體所需的外加功率；之后根據電離效率優(yōu)化的原則提出采用高電壓高頻強電場作用產生、維持非平衡等離子體，并估算了在這種模式下維持非平衡等離子體所需的外加功率以及外加電場的頻率。 第四章主

6、要討論的是非平衡等離子體射流與磁場相互作用的磁流體特性。建立了等離子體射流磁流體特性研究試驗裝置，通過試驗方法測量了低溫非平衡等離子體射流在橫向磁場作用下的感應電流。為了更加細致準確的說明這一現(xiàn)象通過三維數值模擬技術對這一試驗進行了仿真模擬，模擬結果與試驗結果基本一致。 第五章首先簡要介紹了量子化學發(fā)展歷史和計算化學研究方法，然后在計算量子化學相關理論的基礎上給出了精確計算分子（原子）系統(tǒng)能量的方法，并采用高精度的完全基組計算方

7、法精確計算了爆轟主要產物的配分函數和電離勢能，最后運用分子碰撞理論建立了電子參與反應的速率系數計算模型，通過與試驗數據對比，驗證該模型的可靠性，并結合量子化學計算方法采用該模型計算了主要爆轟產物電子反應的速率系數，并將計算得到的不同電子溫度下的反應速率系數按照．Arrhenius公式的形式進行數據擬合。 第六章首先對本文提出的這種新概念發(fā)電系統(tǒng)進行了概念性設計，分別給出了非平衡等離子體發(fā)生段和MHD段長度的估算方法。然后對本文提