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(diǎn)．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(shù)產(chǎn)生高速弱電離等離子體，并利用磁流體原理對其進(jìn)行能量轉(zhuǎn)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(shù)具有實(shí)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(guān)領(lǐng)域都具有十分重要的潛在的科學(xué)、技術(shù)和實(shí)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(chǎn)生高速流體結(jié)合外部非平衡高頻強(qiáng)電場的作用下獲得具有高導(dǎo)電性的高速非平衡等離子體進(jìn)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(dǎo)電性非平衡等離子體的產(chǎn)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(yàn)研究和理論分析入手揭示了爆轟導(dǎo)電性的本質(zhì)和非平衡等離子體的磁流體相互作用機(jī)理，為進(jìn)一步建立爆轟磁流體發(fā)電系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)和發(fā)展方向的指導(dǎo)。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(shù)提出了采用爆轟和高頻強(qiáng)電場作用非平衡等離子體作為磁流體進(jìn)行磁流體發(fā)電的構(gòu)想，進(jìn)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(guān)的研究工作進(jìn)行了大量的文獻(xiàn)綜述，在前人的工作基礎(chǔ)上提出本文的研究內(nèi)容。 第二章圍繞弱電離等離子體的產(chǎn)生問題主要研究了在爆轟過程中爆轟

4、波上的電導(dǎo)率。為了提高化學(xué)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(jìn)行磁流體發(fā)電首先要求爆轟波具有一定的電導(dǎo)性。基于此目的本章首先建立了氣相爆轟電導(dǎo)性試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)測量了H2/O2系統(tǒng)的爆轟電導(dǎo)率，并與前人的結(jié)果進(jìn)行了比較。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)熱電離機(jī)理建立了爆轟電離模型，并通過量子化學(xué)計(jì)算方法對該模型的一些參數(shù)進(jìn)行了求解，通過該模型計(jì)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(shù)．引用了大量的

5、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，說明了該模型的正確性。 由于爆轟產(chǎn)生的高速流體電導(dǎo)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(chǎn)生非平衡等離子體，以提高等離子體的電導(dǎo)率。首先給出直流低頻電場產(chǎn)生并維持平衡態(tài)等離子體所需的外加功率；之后根據(jù)電離效率優(yōu)化的原則提出采用高電壓高頻強(qiáng)電場作用產(chǎn)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(yàn)裝置，通過試驗(yàn)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(yīng)電流。為了更加細(xì)致準(zhǔn)確的說明這一現(xiàn)象通過三維數(shù)值模擬技術(shù)對這一試驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。 第五章首先簡要介紹了量子化學(xué)發(fā)展歷史和計(jì)算化學(xué)研究方法，然后在計(jì)算量子化學(xué)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上給出了精確計(jì)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(jì)算方

7、法精確計(jì)算了爆轟主要產(chǎn)物的配分函數(shù)和電離勢能，最后運(yùn)用分子碰撞理論建立了電子參與反應(yīng)的速率系數(shù)計(jì)算模型，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證該模型的可靠性，并結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算方法采用該模型計(jì)算了主要爆轟產(chǎn)物電子反應(yīng)的速率系數(shù)，并將計(jì)算得到的不同電子溫度下的反應(yīng)速率系數(shù)按照．Arrhenius公式的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jìn)行了概念性設(shè)計(jì)，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