新型動(dòng)力系統(tǒng)等離子體與燃燒特性研究.pdf

1、目前，我國(guó)面臨著能源緊缺和環(huán)境惡化等諸多問題，作為解決這一狀況的有效途徑，先進(jìn)能源動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)日益成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。
　　基于這一現(xiàn)狀，本文提出了一種新型的等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)，以數(shù)值模擬和理論分析為主要研究方式，對(duì)該系統(tǒng)的兩個(gè)核心問題:高壓下部分電離等離子體推進(jìn)特性及爆震的二維模擬進(jìn)行了重點(diǎn)討論。本系統(tǒng)包括入口噴管段、等離子體推進(jìn)段、爆震段和磁流體發(fā)電段，首先通過入口噴管段將工質(zhì)輸入等離子體發(fā)電段，通過離子—中性粒子

2、的碰撞過程，實(shí)現(xiàn)電能—?jiǎng)幽艿霓D(zhuǎn)換;然后，在爆震段發(fā)生穩(wěn)定爆震，實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效釋放;最后，氣體工質(zhì)的動(dòng)能、熱能經(jīng)由磁流體發(fā)電段導(dǎo)出進(jìn)行發(fā)電。
　　本文對(duì)新型等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析。針對(duì)高壓下部分電離等離子推進(jìn)特性問題，本文對(duì)等離子體推進(jìn)段進(jìn)行了建模，詳細(xì)分析了其重要假設(shè)、物理模型、幾何模型、等離子體反應(yīng)體系、基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型、定解條件、陰極熱發(fā)射電流等。具體研究?jī)?nèi)容如下所述:
　　(1)入口噴管段特

3、性分析。對(duì)定壓、非定壓推進(jìn)系統(tǒng)的收斂—擴(kuò)張噴管進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，獲得了良好的溫度、壓力、速度、密度等參數(shù)分布特性。
　　(2)定壓等離子體推進(jìn)段研究。建立了定壓推進(jìn)段變截面模型，進(jìn)行了一維理論分析。對(duì)參考工況及多種變工況下的定壓推進(jìn)等離子體場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，獲得了磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與定壓推進(jìn)等離子體場(chǎng)間的規(guī)律，清晰得揭示了定壓推進(jìn)在大范圍工作點(diǎn)上的等離子體場(chǎng)特性。
　　(3)非定壓等離子體推進(jìn)段研究。建立了

4、非定壓推進(jìn)段變截面模型，對(duì)參考工況及多種變工況下的推進(jìn)特性進(jìn)行了分析，獲得了磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與非定壓推進(jìn)等離子體場(chǎng)、流動(dòng)傳熱場(chǎng)之間的規(guī)律。同時(shí)，探究了出口氣壓變化對(duì)等離子體推進(jìn)段的流動(dòng)傳熱影響，得出了激波與非定壓推進(jìn)過程疊加的作用效果。最后，建立了全能量耦合的非定壓等離子體推進(jìn)段，并將其流動(dòng)傳熱參數(shù)與非定壓推進(jìn)段進(jìn)行了對(duì)比分析。詳細(xì)清晰的揭示了非定壓推進(jìn)在大范圍工作點(diǎn)上的等離子體場(chǎng)、流動(dòng)傳熱場(chǎng)特性。
　　(4)爆

5、震段建模與研究。首次將國(guó)際通用的甲烷—空氣化學(xué)反應(yīng)GRI Mesh機(jī)理有效的簡(jiǎn)化為一步包總反應(yīng)，并在0維定容燃燒數(shù)值試驗(yàn)中，證明了該簡(jiǎn)化反應(yīng)可靠。在此基礎(chǔ)上，建立了爆震所需的收斂—擴(kuò)張噴管模型，提出了爆震熱源空間非均勻分布方案，并進(jìn)行了出口處高溫?zé)嵩匆⒔隹谔幐吣軣嵩匆瑑煞N爆震過程模擬，該模擬過程成功的解決了爆震過程的多維模擬問題，經(jīng)與傳統(tǒng)ZND模型對(duì)比，證明本二維模型的有效性與可靠性。
　　(5)磁流體發(fā)電段特性研究。對(duì)不

6、同情況下的磁流體發(fā)電特性進(jìn)行了分析，在兼顧發(fā)電量和出口壓強(qiáng)的條件下，選取定馬赫數(shù)發(fā)電為系統(tǒng)的最佳發(fā)電方式，分析了電導(dǎo)率及磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)定馬赫數(shù)磁流體發(fā)電特性的影響，得出二者與發(fā)電通道長(zhǎng)度間的規(guī)律。
　　(6)動(dòng)力系統(tǒng)分析。計(jì)算了定壓系統(tǒng)、非定壓系統(tǒng)、全能量耦合的非定壓系統(tǒng)的各部件參數(shù)及系統(tǒng)發(fā)電效率;通過分析變磁感應(yīng)強(qiáng)度的非定壓系統(tǒng)特性，得出系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與系統(tǒng)效率之間的規(guī)律。研究結(jié)果顯示，在新型等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)中，等離子體推進(jìn)