超音速磁流體的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長，能源短缺對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的束縛越來越突出，能源安全形勢令人擔(dān)憂，環(huán)境保護(hù)壓力凸顯。為了實(shí)現(xiàn)能源利用與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，能源的清潔利用越來越成為人們的共識(shí)。磁流體發(fā)電作為一種高效、低污染的新型發(fā)電方式一直都是世界研究的熱點(diǎn)，2009年東南大學(xué)提出以連續(xù)的非平衡態(tài)等離子體爆轟的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃燒方式和爆炸來產(chǎn)生磁流體的設(shè)想，并經(jīng)過人量的實(shí)驗(yàn)和理論分析，取得較大的成果和突破。由于爆轟波具有高速、超薄、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，使得爆轟

2、波的利用具有很大的困難。為了找到一個(gè)適合于磁流體發(fā)電技術(shù)且易于利用的非平衡態(tài)等離子體燃燒波，各種燃燒方式的特性的研究具有重大的實(shí)際意義。
　　 本文對等離子體超音速燃燒過程進(jìn)行了分析，其作為新型磁流體發(fā)電的概念研究部分具有重要作用，本文的研究主要以數(shù)值模擬為工具，對耦合超音速燃燒氣流和等離子體的復(fù)雜過程進(jìn)行了較為系統(tǒng)的科學(xué)探索，通過數(shù)值模擬揭示了其中的主要特性。本文主要開展以下三個(gè)方面的工作：
　　 （1）使用CHEMK

3、IN軟件對325個(gè)甲烷燃燒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行敏感性分析，以甲烷為參考對象，分析得到將要在下一步帶入燃燒反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算的15組17步反應(yīng)的簡化機(jī)理；
　　 （2）選取了適合甲烷超音速燃燒的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法，使用FLUENT軟件，建立了噴管的二維物理模型，對空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬不同工況下的速度場，溫度場以及馬赫數(shù)的分布，對結(jié)果進(jìn)行了比較和分析，并證明了該模型的可靠性；模擬了甲烷與氧氣在該噴管內(nèi)的超音速燃燒，分別改變溫度，壓

4、力，O原子濃度三個(gè)參數(shù)得到了燃燒器內(nèi)的溫度場，CH4和H2O濃度場分布，并進(jìn)行比較與分析，總結(jié)出高壓高溫以及高O原子濃度都有助于提高燃燒的穩(wěn)定性；
　　 （3）通過二次開發(fā)MHD模塊，在燃燒化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)上增加電場標(biāo)量方程，使用自定義的變化的電導(dǎo)率作為材料的屬性，編寫了求解電子溫度的函數(shù)，并用電子溫度代替普通氣體溫度帶入電子反應(yīng)速率的Arrhenius公式中，編寫了UDF自定義體積反應(yīng)速率，通過這些方程間的相互耦合，在模擬過程中分