新型動力系統(tǒng)等離子體與燃燒特性研究.pdf

1、目前，我國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，先進能源動力系統(tǒng)的開發(fā)日益成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點。
　　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，對該系統(tǒng)的兩個核心問題:高壓下部分電離等離子體推進特性及爆震的二維模擬進行了重點討論。本系統(tǒng)包括入口噴管段、等離子體推進段、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，實現(xiàn)電能—動能的轉(zhuǎn)換;然后，在爆震段發(fā)生穩(wěn)定爆震，實現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效釋放;最后，氣體工質(zhì)的動能、熱能經(jīng)由磁流體發(fā)電段導(dǎo)出進行發(fā)電。
　　本文對新型等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進行了分析。針對高壓下部分電離等離子推進特性問題，本文對等離子體推進段進行了建模，詳細分析了其重要假設(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。具體研究內(nèi)容如下所述:
　　(1)入口噴管段特

3、性分析。對定壓、非定壓推進系統(tǒng)的收斂—擴張噴管進行了二維數(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)定壓等離子體推進段研究。建立了定壓推進段變截面模型，進行了一維理論分析。對參考工況及多種變工況下的定壓推進等離子體場特性進行了分析，獲得了磁感應(yīng)強度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與定壓推進等離子體場間的規(guī)律，清晰得揭示了定壓推進在大范圍工作點上的等離子體場特性。
　　(3)非定壓等離子體推進段研究。建立了

4、非定壓推進段變截面模型，對參考工況及多種變工況下的推進特性進行了分析，獲得了磁感應(yīng)強度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與非定壓推進等離子體場、流動傳熱場之間的規(guī)律。同時，探究了出口氣壓變化對等離子體推進段的流動傳熱影響，得出了激波與非定壓推進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段，并將其流動傳熱參數(shù)與非定壓推進段進行了對比分析。詳細清晰的揭示了非定壓推進在大范圍工作點上的等離子體場、流動傳熱場特性。
　　(4)爆

5、震段建模與研究。首次將國際通用的甲烷—空氣化學(xué)反應(yīng)GRI Mesh機理有效的簡化為一步包總反應(yīng)，并在0維定容燃燒數(shù)值試驗中，證明了該簡化反應(yīng)可靠。在此基礎(chǔ)上，建立了爆震所需的收斂—擴張噴管模型，提出了爆震熱源空間非均勻分布方案，并進行了出口處高溫?zé)嵩匆?、近出口處高能熱源引爆兩種爆震過程模擬，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。對不

6、同情況下的磁流體發(fā)電特性進行了分析，在兼顧發(fā)電量和出口壓強的條件下，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)強度對定馬赫數(shù)磁流體發(fā)電特性的影響，得出二者與發(fā)電通道長度間的規(guī)律。
　　(6)動力系統(tǒng)分析。計算了定壓系統(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)強度的非定壓系統(tǒng)特性，得出系統(tǒng)磁感應(yīng)強度與系統(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