非平衡態(tài)等離子體與氣體流動(dòng)研究及數(shù)值模擬.pdf

1、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)，但是常規(guī)磁流體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中還有一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題并沒(méi)有很好的解決。東南大學(xué)提出一種新型的磁流體技術(shù)，該磁流體是通過(guò)在高速爆轟氣流中加入由外部非平衡強(qiáng)電場(chǎng)作用下生成的非平衡等離子體的方法而形成的。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，從理論上研究磁流體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程具有重大的實(shí)際意義。本文圍繞非平衡態(tài)等離子體在氣體流動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換，利

2、用數(shù)值模擬方法，建立非平衡態(tài)等離子體與氣體流動(dòng)相對(duì)完備的分析模型，為進(jìn)一步研究非平衡等離子體磁流體特性提供理論基礎(chǔ)和發(fā)展方向。
　　第一章為緒論部分。提出靠熱電離產(chǎn)生的高溫磁流體一直制約著常規(guī)磁流體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。而在熱力學(xué)平衡條件下傳統(tǒng)磁流體發(fā)電存在的問(wèn)題幾乎是不可避免的，因此需要在非平衡條件下尋求問(wèn)題的解決辦法。
　　第二章通過(guò)磁流體動(dòng)力學(xué)理論和離子-中性粒子的輸運(yùn)分析提出了雙流體模型的基本方程，并指出進(jìn)行下一步

3、研究的關(guān)鍵在于動(dòng)量、能量轉(zhuǎn)換項(xiàng)的形式，即采用何種碰撞模型。由于大氣壓下的離子-中性氣體流動(dòng)的特殊性，對(duì)研究平臺(tái)進(jìn)行了選擇，基于Fluent軟件進(jìn)行了用戶自定義開(kāi)發(fā)。
　　第三章介紹了Maxwellian碰撞模型和bi-Maxwellian碰撞模型，并分別利用這兩種碰撞模型對(duì)大氣壓下的離子-中性粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值結(jié)果表明：無(wú)論采用何種碰撞模型，流場(chǎng)變量在入口附近都存在明顯的突變現(xiàn)象，即非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過(guò)渡現(xiàn)象。為了

4、進(jìn)一步研究碰撞模型的優(yōu)越性，對(duì)這兩種碰撞模型的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)bi-Maxwellian碰撞模型更精確。
　　第四章基于bi-Maxwellian碰撞模型，對(duì)第三章出現(xiàn)的非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過(guò)渡現(xiàn)象進(jìn)行了說(shuō)明和研究，并將這一過(guò)渡現(xiàn)象稱為弛豫現(xiàn)象。分析了電場(chǎng)強(qiáng)度E、離子入口數(shù)密度niw、離子入口速度viw以及中性氣體入口速度vaw這4個(gè)參數(shù)對(duì)弛豫現(xiàn)象的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論：
　　當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度、離子入口速度、離子入

5、口數(shù)密度越大，中性氣體入口速度越小時(shí)，離子能從電場(chǎng)中獲取更多的能量，并且將更多的能量傳遞給中性氣體，此時(shí)非平衡區(qū)的急劇變化現(xiàn)象越明顯，各個(gè)參數(shù)的梯度也越大，并且需要更長(zhǎng)的空間距離來(lái)達(dá)到平衡。
　　為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化參數(shù)選擇對(duì)弛豫現(xiàn)象的影響，定義了弛豫厚度，弛豫厚度指非平衡態(tài)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)所經(jīng)歷的空間距離。通過(guò)分析電場(chǎng)強(qiáng)度、離子入口速度、離子入口數(shù)密度和中性氣體入口速度對(duì)弛豫厚度的影響，發(fā)現(xiàn)弛豫厚度不僅與離子相蘊(yùn)含或是獲取能量的能力有

6、關(guān)，還與兩相之間的動(dòng)量差有關(guān)。
　　第五章研究了通道特性對(duì)磁流體能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響?；赽i-Maxwellian碰撞模型將原有通道縮小10倍。對(duì)大、小通道中的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并將兩種通道下的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。根據(jù)數(shù)值結(jié)果可知：當(dāng)通道縮小時(shí)，壁面影響在流動(dòng)中所占的比例會(huì)越來(lái)越大，甚至?xí)绊懙酵ǖ乐行膮^(qū)域的參數(shù)變化趨勢(shì)。
　　第六章將原本單一的中性氣體換成甲烷-空氣混合物，采用非穩(wěn)態(tài)的計(jì)算方法，讓離子入口速度、離子