《深空探测学报》：等离子体磁流体发电研究进展（黄护林、李林永、李来、刘飞标）

第5卷第4期 深空探测学报 Vol 5 No 4 2018年8月 Journal of Deep Space Exploration August 2018 等离子体磁流体发电研究进展 黄护林,李林永,李来,刘飞标2 1南京航空航天大学航天学院,南京210016;2.中国空间技术研究院总体部,北京10094) 摘要:简要分析了等离子体磁流体发电系统的工作原理和发电过程,阐述了目前磁流体发电研究中的重点和关键问 题,从数值模拟和实验研究两方面回顾了国内外的研究情况和研究进展。分析认为等离子体磁流体动力学将会受到越来越 多的重视,且将会推动航空航天技术的进步 关键词:磁流体发电:等离子体;数值模拟和实验:航天动力 中图分类号:O441 x献标识码:A 文章编号:2095-77772018)04-0331-16 DO:0.15982/ssn2095-7772018.04.003 引用格式:黄护林,李林永,李来,等.等离子体磁流体发电硏究进展].深空探测学报,2018,5(4) 331-346 Reference format: HUANG HL, LILY, LI L, et al. Research progress of plasma magnetic fluid power neration[]. Journal of Deep Space Exploration, 2018, 5(4): 331-346 0引言 1等离子体磁流体发机电工作原理 导电流体沿垂直于磁场方向运动时,在磁场和导 等离子体磁流体发电机按照电流输出方式可分为 电流体运动的正交方向上产生感应电场,将流体的霍尔型发电机和法拉第型发电机,这两种发电机的工 动能转化为电能,称为磁流体发电。其中,等离子作原理不尽相同 体磁流体发电是一种新型环保高效的发电方式。等1.1霍尔型发电机 离子体是一种具有导电性质且有别于一般导电流体 盘式发电通道是霍尔型发电系统最具代表性的结 的物质第4态,因此对磁场作用下等离子体的研究要构,其工作原理是等离子体在磁场作用下,受到与流 比一般导电流体复杂得多,其研究领域涉及磁流体动相反的切向洛伦兹力,电子和离子沿切向方向产生 动力学( Magnetohydrodynamic,MHD)、等离子物偏转而产生环形法拉第电流ls同时,沿径向的正离 理、高温技术、材料科学等。1959年,阿夫科公司成子和电子受到相反的径向洛伦兹力而被分开,形成径 功建造了功率为115kW的实验性等离子体磁流体发向霍尔电流J,在通道入口和出口各放置一对环形电 电机,这种发电机没有机械运动部件,能够将热能极将霍尔电流引出,如图1所示。盘式磁流体发电机 直接转换为电能,转换效率高。经历了半个多世纪的法拉第电流相当于短路,输出的是霍尔电流,其输 的发展,等离子体磁流体发电理论在不断完善,实出电压要比法拉第通道的高,输出的总电能大,焓提 验所用的发电通道结构在不断改进,应用领域也在取率高:磁体系统可由圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈 不断扩展。2005年,美国将等离子体磁流体动力学列提供,可以产生平行的磁力线 为空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础 霍尔型发电机还有另外一种重要结构,其模型及 领域之一,我国在《国家中长期科学和技术发展规相关实验结果如图2所示。这种通道结构通过导线连 划纲要(2006—2020)》中也将等离子体磁流体动接法拉第电极使法拉第电流短路,将通道第一对电极 力学列为面向国家重大战略需求的基础研究121。和最后一对电极与外负载连接,从而输出霍尔电流 2011年5月12日,空军工程大学建成了我国首个国家 对盘式等离子体磁流体发电机结构的研究主要集 级等离子体动力学实验室,使我国进入了等离子体中于通道壁面形状、入口结构、出口/入口横截面积 动力学研究的前沿领域。 比、电极排布等。因边界层的充分发展会降低发电机 收稿日期:2018-04-10修回日期:2018-06-01 基金项目:国防基础预研重点项目(JCKY2013203B003):核反应堆系统设计重点实验室资助

等离子体磁流体发电研究进展 黄护林1，李林永1，李来1，刘飞标2 （1. 南京航空航天大学 航天学院，南京 210016；2. 中国空间技术研究院总体部，北京 10094） 摘 要： 简要分析了等离子体磁流体发电系统的工作原理和发电过程，阐述了目前磁流体发电研究中的重点和关键问 题，从数值模拟和实验研究两方面回顾了国内外的研究情况和研究进展。分析认为等离子体磁流体动力学将会受到越来越 多的重视，且将会推动航空航天技术的进步。 关键词：磁流体发电；等离子体；数值模拟和实验；航天动力 中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：2095-7777（2018）04-0331-16 DOI:10.15982/j.issn.2095-7777.2018.04.003 引用格式：黄护林，李林永，李来，等. 等离子体磁流体发电研究进展[J]. 深空探测学报，2018，5（4）： 331-346. Reference format: HUANG H L，LI L Y，LI L，et al. Research progress of plasma magnetic fluid power generation[J]. Journal of Deep Space Exploration，2018，5（4）：331-346. 0 引 言 导电流体沿垂直于磁场方向运动时，在磁场和导 电流体运动的正交方向上产生感应电场，将流体的 动能转化为电能，称为磁流体发电。其中，等离子 体磁流体发电是一种新型环保高效的发电方式。等 离子体是一种具有导电性质且有别于一般导电流体 的物质第4态，因此对磁场作用下等离子体的研究要 比一般导电流体复杂得多，其研究领域涉及磁流体 动力学（Magnetohydrodynamic，MHD）、等离子物 理、高温技术、材料科学等。1959年，阿夫科公司成 功建造了功率为11.5 kW的实验性等离子体磁流体发 电机，这种发电机没有机械运动部件，能够将热能 直接转换为电能，转换效率高[1]。经历了半个多世纪 的发展，等离子体磁流体发电理论在不断完善，实 验所用的发电通道结构在不断改进，应用领域也在 不断扩展。2005年，美国将等离子体磁流体动力学列 为空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础 领域之一，我国在《国家中长期科学和技术发展规 划纲要（2006—2020）》中也将等离子体磁流体动 力学列为面向国家重大战略需求的基础研究[ 2 ]。 2011年5月12日，空军工程大学建成了我国首个国家 级等离子体动力学实验室，使我国进入了等离子体 动力学研究的前沿领域。 1 等离子体磁流体发机电工作原理 等离子体磁流体发电机按照电流输出方式可分为 霍尔型发电机和法拉第型发电机，这两种发电机的工 作原理不尽相同。 1.1 霍尔型发电机 盘式发电通道是霍尔型发电系统最具代表性的结 构，其工作原理是等离子体在磁场作用下，受到与流 动相反的切向洛伦兹力，电子和离子沿切向方向产生 偏转而产生环形法拉第电流Jθ；同时，沿径向的正离 子和电子受到相反的径向洛伦兹力而被分开，形成径 向霍尔电流Jr，在通道入口和出口各放置一对环形电 极将霍尔电流引出，如图 1所示。盘式磁流体发电机 的法拉第电流相当于短路，输出的是霍尔电流，其输 出电压要比法拉第通道的高，输出的总电能大，焓提 取率高；磁体系统可由圆盘上下两面的亥姆霍兹线圈 提供，可以产生平行的磁力线。 霍尔型发电机还有另外一种重要结构，其模型及 相关实验结果如图 2所示[3]。这种通道结构通过导线连 接法拉第电极使法拉第电流短路，将通道第一对电极 和最后一对电极与外负载连接，从而输出霍尔电流。 对盘式等离子体磁流体发电机结构的研究主要集 中于通道壁面形状、入口结构、出口/入口横截面积 比、电极排布等。因边界层的充分发展会降低发电机 第 5 卷 第 4 期 深 空 探 测 学 报 Vol. 5 No. 4 2018 年 8 月 Journal of Deep Space Exploration August 2018 收稿日期：2018-04-10 修回日期：2018-06-01 基金项目：国防基础预研重点项目（JCKY2013203B003）；核反应堆系统设计重点实验室资助

332 深空探测学报 2018年 面的线圈 磁场方向 霍尔电流 法拉第电流 下面的线圈 工质 (a)结构 (b)电流 图1盘式发电机结构与电流流向分布 Fig. 1 Structure of disk type MHD generator and distribution current 负载 (a)结构 (b)实验研究 图2扩张通道霍尔型发电结构及其实验结果 Fig. 2 Divergent channel of Hall type MHD generation and its experimental results 性能, Murakami等通过研究盘式通道电极间的4种壁用凸面扩张通道时,边界层抑制作用要比其他3种壁 面形状(凹面扩张通道、线性扩张通道、凸面扩张通面形状强,发电机性能最好(如图3所示)。Liυ berati 道、高曲率凸面扩张通道)对发电性能的影响发现 等也获得同样的结果。 流速/(ms-) (a)凹面扩张通道 (b)线性扩张通道 (c)凸面扩张通道 (d)高曲率凸面扩张通道 图34种盘式电极间壁面形状 Fig 3 4 types of wall shape between electrodes 如图4所示,增加导流叶片可以减少发电段的入 发电通道扩张角过大,则不利于提高发电机的等 口损失,从而提高了发电机的输出功率和焓提取率;熵效率和焓提取率,因此采用小的扩张角是适宜的叫 当导流叶片旋转比率(S=U/Ur,U为切向速度, Murakami等在传统盘式发电机的阴阳极之间增加 U为径向速度)为1时,输出功率最大:采用导电导中间电极,将发电机分成上游和下游两个区域,形成 流叶片时,导流叶片区域的电子温度要高于采用绝缘 个二负载的盘式等离子体发电机(图5),其研究结 导流叶片的,但是发电机性能并无多大的变化門。 果表明,当上游负载大于或等于下游负载时,发生器

性能，Murakami[4]等通过研究盘式通道电极间的4种壁 面形状（凹面扩张通道、线性扩张通道、凸面扩张通 道、高曲率凸面扩张通道）对发电性能的影响发现， 采用凸面扩张通道时，边界层抑制作用要比其他3种壁 面形状强，发电机性能最好（如图 3所示）。Liberati[5] 等也获得同样的结果。 如图 4所示，增加导流叶片可以减少发电段的入 口损失，从而提高了发电机的输出功率和焓提取率[6]； 当导流叶片旋转比率（S= Uθ /Ur，Uθ为切向速度， Ur为径向速度）为1时，输出功率最大[7]；采用导电导 流叶片时，导流叶片区域的电子温度要高于采用绝缘 导流叶片的，但是发电机性能并无多大的变化[8]。 发电通道扩张角过大，则不利于提高发电机的等 熵效率和焓提取率，因此采用小的扩张角是适宜的[9]。 Murakami[10]等在传统盘式发电机的阴阳极之间增加一 中间电极，将发电机分成上游和下游两个区域，形成 一个二负载的盘式等离子体发电机（图5），其研究结 果表明，当上游负载大于或等于下游负载时，发生器 （a）结构 （b）电流 工质 工质 工质 法拉第电流 磁场方向 霍尔电流 霍尔电流 下面的线圈 流出 流入 上面的线圈 r z θ Jθ Ur B 图 1 盘式发电机结构与电流流向分布 Fig. 1 Structure of disk type MHD generator and distribution current （a）结构 （b）实验研究 阳极 阴极 负载 图 2 扩张通道霍尔型发电结构及其实验结果 Fig. 2 Divergent channel of Hall type MHD generation and its experimental results （a）凹面扩张通道 （b）线性扩张通道 （c）凸面扩张通道 （d）高曲率凸面扩张通道 阳极 阴极 流速/（m·s−1） 0 600 1 200 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 高度/mm 10 0 −10 图 3 4种盘式电极间壁面形状 Fig. 3 4 types of wall shape between electrodes 332 深空探测学报 2018年

第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 333 输出功率较髙:上游焓提取率过多时,下游则无法获电极结构能够使入口双阳极之间的等离子体种子获得 得较高的能量转换效率。Inui研究了在入口处设充分电离,使发电机性能提高,但会引起较大的总压 置一对分开的阳极并将这对阳极用外接导线短路,这种损失 可视端口 (a)无导流片入口 b)导流片入口 图4盘式发电机入口结构 P4 第1阳极 第2阳极 第1电极(E1) 第2电极(E2) 负载 第3电极(E3) 扩散器 可视窗口(L1-3 静压口(S1-S10 压口(T1-T5) 0.l8m0.3m 0.7m (a) Murakami模型 (b)Inu模型 图5二负载盘式结构 Fig 5 Two loads disk MHD generator 12法拉第型发电机 气、惰性气体、氢气等。为了提高磁流体发电机的性 分段法拉第型发电结构是法拉第型发电机最具代能,必须提高工质的电导率及保持电导率的稳定。在 表性的结构,其由若干对平行不连续的电极分立通 气体中加入少量的碱金属种子的混合气体可以在较低 道两侧而组成的,同侧电极之间采用绝缘材料阻 电子温度下实现较高的电子数密度。然而,额外增 隔,如图6所示叫。其基本工作原理是在磁场的作用加涉及碱金属的子系统,不仅会降低发电系统的质量 下,带电粒子受到洛伦兹力的作用而向两侧电极偏 转从而产生法拉第电场。与盘式发电通道充分利用 功率比,还会增加发电系统的复杂性,不适合用作 霍尔效应不同,法拉第通道分段电极的设计是尽可深空探测的电源系统。目前,采用对气体预电离的方 能抑制霍尔效应的产生。图7为几种常用的法拉第型法以提高气体电导率较常用。提高气体电导率的方法 发电通道结构 除热电离外还有各种外部主动电离技术,主要包括 1.3提高工质导电率的方法 电子束电离、脉冲放电电离、微波电离甽、电容耦 等离子体磁流体发电的工质主要有高温燃气、空合射频放电电离等叫

输出功率较高；上游焓提取率过多时，下游则无法获 得较高的能量转换效率。Inui[11-12]等研究了在入口处设 置一对分开的阳极并将这对阳极用外接导线短路，这种 电极结构能够使入口双阳极之间的等离子体种子获得 充分电离，使发电机性能提高，但会引起较大的总压 损失。 1.2 法拉第型发电机 分段法拉第型发电结构是法拉第型发电机最具代 表性的结构，其由若干对平行不连续的电极分立通 道两侧而组成的，同侧电极之间采用绝缘材料阻 隔，如图 6所示[13]。其基本工作原理是在磁场的作用 下，带电粒子受到洛伦兹力的作用而向两侧电极偏 转从而产生法拉第电场。与盘式发电通道充分利用 霍尔效应不同，法拉第通道分段电极的设计是尽可 能抑制霍尔效应的产生。图 7为几种常用的法拉第型 发电通道结构。 1.3 提高工质导电率的方法 等离子体磁流体发电的工质主要有高温燃气、空 气、惰性气体、氢气等。为了提高磁流体发电机的性 能，必须提高工质的电导率及保持电导率的稳定。在 气体中加入少量的碱金属种子的混合气体可以在较低 电子温度下实现较高的电子数密度[14-15]。然而，额外增 加涉及碱金属的子系统，不仅会降低发电系统的质量 功率比，还会增加发电系统的复杂性[16]，不适合用作 深空探测的电源系统。目前，采用对气体预电离的方 法以提高气体电导率较常用。提高气体电导率的方法 除热电离[17]外还有各种外部主动电离技术，主要包括 电子束电离[18]、脉冲放电电离[19]、微波电离[20]、电容耦 合射频放电电离等[21]。 （a）无导流片入口 （b）导流片入口 阴极 阳极 电探针 压力表 导流片 阳极 阴极 可视端口 S4 200 720 S1 S2 S3 r θ Δr Δθ B 图 4 盘式发电机入口结构 Fig. 4 Inlet structure of disk MHD generator （a）Murakami 模型 （b）Inui 模型 0.18 m 0.3 m 0.7 m 1.2 m 250 mm 170 mm 80 mm 下游通道 上游通道 Rd Ru 电探针 （P1-P4） 第1电极（E1） 第2电极（E2） 第3电极（E3） 静压口（S1-S10） 总压口（T1-T5） 可视窗口（L1-L3） T5 S10 S9 S8 S1 S2 L1 L2 L3 T1 T4 S7 P1 P2 P3 P4 T2 T3 S3 S4 S5 S6 导流片 管口 喉部 第1阳极 第2阳极 负载 阴极 通道 扩散器 图 5 二负载盘式结构 Fig. 5 Two loads disk MHD generator 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 333

334 深空探测学报 2018年 近电极边界层 极 电子束 (a)结构 (b)电流 图6分段法拉第型发电机结构和横截面电流分布 gmented Faraday type Mhd generator and cross section current 阳极 陶瓷壁 扩散段 放电电极放电室 0:O:G MHD 位:mm 有源发电通道 过渡管道 a)连续电极型 b)分段法拉第型 (c)对角线型 图7常用的法拉第型发电通道结构 Fig 7 Typical Faraday MHD generator channels 2国内外研究回顾 拟结果表明,采用射频电磁场可以抑制电离度和电子 21国外研究回顾 温度的波动,从而提高发电机焓提取率和等熵效率 Liberate-等采用大涡模拟方法,二维数值模拟盘式发 2.1.1数值模拟 由于数值计算科学的快速发展,数值模拟逐渐在通道的 non-MHD流和MHD流。研究结果表明,non 科研中发挥着越来越重要的作用,因此在等离子体磁MHD流和MHD流均在发电通道的下游发生边界层分 流体发电的研究中,很大一部分是采用数值模拟进行的 离,但是由于MHD效应的影响,MHD流的下游流线 1)盘式发电机的研究 分布逐渐变宽,在阳极区域发生边界层分离。 盘式磁流体发电是等离子体磁流体发电的一个重 Sakai等采用非稳态二维数值模拟与实验结果对比的 要研究方向,日本尤其重视,发表了大量的研究成 方法,研究发现入口总温对电导率影响最大,对其控 果。东京工业大学Shmi等采用三维数值模拟方法制十分重要. Harada等以Hecs为工质,研究发现盘 验证采用入口导流叶片的盘式发电通道实验结果。在 式发电通道入口旋流叶片的旋转比率S为1时,可将焓 低种子条件下获得的等熵效率要高于实验结果;当提 提取率提高到32.5%,同时可以降低入口附近静压由于 高种子浓度时,通道马赫数逐渐下降到以下:当种子洛伦兹力作用而急剧上升的幅度,使整个通道的霍尔 浓度在最佳值附近时,0方向上等离子体结构相当稳参量都保持在较高的水平。 Liberative等以Ar/Cs为工 定,相反则由于种子电离不充分而导致等离子体结构质,研究了盘式发电通道入口与出口的压力比值PR 非均匀不稳定性。 Tanaka等研究预电离纯惰性气体通道扩张比率AR以及阳极MHD段壁面形状对发生器 盘式发电道,揭示了当焦耳热密度高时,通道气体电性能的影响。结果表明:高PR值可使发生器获得较大 离度上升:当阳极电流密度大时,可引起垂直方向上的焓提取率,此时斜激波出现在MHD段与下游部分的 电离度的非均匀性从而导致边界层发生分离;氩和氙交界处;较小的AR可以提高等熵效率和焓提取率。当 等离子体的非均匀性和电离度的增加要比氦等离子体阳极附近采用平面型壁面时,阳极下游附近出现边界 的明显。 Murakan等研究了采用射频电磁场提高受层分离:阳极附近为外凸弧形壁面时,可以抑制边界 水蒸气污染的盘式发生器性能的可行性。二维数值模层分离,提高等离子体的稳定性,从而提高霍尔参量

2 国内外研究回顾 2.1 国外研究回顾 2.1.1 数值模拟 由于数值计算科学的快速发展，数值模拟逐渐在 科研中发挥着越来越重要的作用，因此在等离子体磁 流体发电的研究中，很大一部分是采用数值模拟进行的。 1）盘式发电机的研究 盘式磁流体发电是等离子体磁流体发电的一个重 要研究方向，日本尤其重视，发表了大量的研究成 果。东京工业大学Shimizu[22]等采用三维数值模拟方法 验证采用入口导流叶片的盘式发电通道实验结果。在 低种子条件下获得的等熵效率要高于实验结果；当提 高种子浓度时，通道马赫数逐渐下降到1以下；当种子 浓度在最佳值附近时，θ方向上等离子体结构相当稳 定，相反则由于种子电离不充分而导致等离子体结构 非均匀不稳定性。Tanaka[23]等研究预电离纯惰性气体 盘式发电道，揭示了当焦耳热密度高时，通道气体电 离度上升；当阳极电流密度大时，可引起垂直方向上 电离度的非均匀性从而导致边界层发生分离；氩和氙 等离子体的非均匀性和电离度的增加要比氦等离子体 的明显。Murakami[24]等研究了采用射频电磁场提高受 水蒸气污染的盘式发生器性能的可行性。二维数值模 拟结果表明，采用射频电磁场可以抑制电离度和电子 温度的波动，从而提高发电机焓提取率和等熵效率。 Liberati[25]等采用大涡模拟方法，二维数值模拟盘式发 电通道的non-MHD流和MHD流。研究结果表明，non￾MHD流和MHD流均在发电通道的下游发生边界层分 离，但是由于MHD效应的影响，MHD流的下游流线 分布逐渐变宽，在阳极区域发生边界层分离。 Sakai[26]等采用非稳态二维数值模拟与实验结果对比的 方法，研究发现入口总温对电导率影响最大，对其控 制十分重要。Harada[27]等以He/Cs为工质，研究发现盘 式发电通道入口旋流叶片的旋转比率S为1时，可将焓 提取率提高到32.5%，同时可以降低入口附近静压由于 洛伦兹力作用而急剧上升的幅度，使整个通道的霍尔 参量都保持在较高的水平。Liberati[28-31]等以Ar/Cs为工 质，研究了盘式发电通道入口与出口的压力比值PR、 通道扩张比率AR以及阳极MHD段壁面形状对发生器 性能的影响。结果表明：高PR值可使发生器获得较大 的焓提取率，此时斜激波出现在MHD段与下游部分的 交界处；较小的AR可以提高等熵效率和焓提取率。当 阳极附近采用平面型壁面时，阳极下游附近出现边界 层分离；阳极附近为外凸弧形壁面时，可以抑制边界 层分离，提高等离子体的稳定性，从而提高霍尔参量 （a）结构 （b）电流 气流 电子束 电子束 电子束 窗口 z x y y j z jy Bz u 电极 电极 边界层 近电极边界层 电极 图 6 分段法拉第型发电机结构和横截面电流分布 Fig. 6 Segmented Faraday type MHD generator and cross section current （a）连续电极型 （b）分段法拉第型 （c）对角线型 有源发电通道 单位: mm 96 过渡管道 16 10 B U U×B 20 50 10 30 阴极 单位: mm 陶瓷壁 放电室 MHD 电极 放电电极 10 1 B 阳极 13 8 电阻 y x z 扩散段 绝缘法兰 图 7 常用的法拉第型发电通道结构 Fig. 7 Typical Faraday MHD generator channels 334 深空探测学报 2018年

第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 335 和发生器的发电效率:同时,在高马赫数低静压条件载和入口旋转比率来抑制。 Yamaguchi等对盘式发电 下,即便磁场很强,洛伦兹力也未对流场产生很大的通道r-θ平面进行二维数值研究结果表明,当入口静温 阻力。东京工业大学还研究了种子完全电离情况下沿径向随时间波动时,径向电导率分布不均匀,径向 对等离子体稳定性和松弛区域的影响;采用考虑气体电流和径向最大电势降低,发电机性能降低了13% 波动和激波等因素的一维分析方法分析盘式发生器的当静温沿方位角随时间波动时,径向电导率、径向电 实验结果:二维数值模拟分析了边界层、电极区以及流以及电极间的压降并无多大的变化,发电机性能稳 主流区的电流分布并硏究了绝热效率与焓提取率的关定;当静压或径向速度波动时,中间电极和阴极之间 系。Lou"等研究发现盘式发电通道入口种子浓度波的电导率有所提高 动频率为常数时,增大波动幅度使得焓提取率波动增 Kobayashi等以纯He为工质,采用预电离的方 大,平均值降低:当波动幅度一定时,焓提取率的波法提高盘式发电通道λ口气体电离度,二维数值模拟 动频率变化更大:无论是正弦波动还是随机波动,发结果表明,当入口预电离度达到479×10时,在磁场 生器性能均下降:当种子浓度波动频率为8~10kHz的强度为4T、负载为3Ω的条件,发电机性能达到了加 正弦波动时,焓提取率波动最大,平均值最低,因此种子的水平,此时焓提取率为22.7%,等熵效率为 盘式发电通道入口种子分数波动频率要避开此频率。 548%,预电离花费为热输入功率的2%。当边界层附 长岗科技大学主要研究的是以He/Xe混合气体为工近的电离度大于主流区时,由于洛伦兹力的作用增 质的闭环盘式磁流体发电机。 Harada等提出一种由强,导致边界层的充分发展,使得发电机性能下降 非平衡等离子体发生器驱动的盘式发电机( NPG/CCDisk)当边界层的电离度小于主流区时,发电机性能得到提 替代由推进剂燃烧产物的法拉第型磁流体发电系统,高。由于He的三体复合速率很低,He的电离度在不同 研究表明,当盘式发电通道为直通道时,获得的焓提结构尺寸的盘式通道中都近似为常数。 Kobayashi 取率不超过20%;当采用压缩-扩张通道时,在热输入等还通过三维数值模拟研究了非平衡等离子体在通道 功率为18MWt时,焓提取率达到40%:当氧化铝颗粒内的分布情况。在r-θ平面内,等离子体呈涡旋结构分 和残余氧气超过一定水平时,发电性能就会降低。长布;在r-截面内,若假设气体性质不变,则等离子体 岗科技大学还与美国马歇尔航天中心( Marshall Space分布呈柱状分布,当考虑到洛伦兹力和焦耳热的影响 Flight Center)合作,研究了核反应堆提供1800时,等离子体分布变得较为均匀。Iui1等提出一种 K的总温条件下,以HeXe混合气体为工质的空间核能新的非平衡等离子体盘式发电机优化设计方法以避免 磁流体发电系统,评估了各个子系统的热输入、能量传统设计方法过于繁琐的缺点,该方法包含7个步骤 耗散、压力损失、等熵效率等。文章指出,如果净发能设计出等离子体稳定、等熵效率高的发电机。通过 电功率达到1MW,则质量功率比可下降到3kg/kW;对r截面的二维数值模拟,研究其扩张通道出口背压 如果净发电量超过3MW,则质量功率比可降到2和不同负载对盘式发电机性能的影响,结果表明通过 kgkW以下。 Harada等通过二维数值模拟研究了以选择合适的背压条件,可以提高发电机性能,若偏离 Xe种子代替碱金属的闭环磁流体发电系统,如边界条最佳背压条件,发电机性能将会降低;通过不同负载 件与He/Cs工质的相同,则HeXe混合气体工质的发电的二维数值模拟结果与一维模拟结果进行对比,除高 机的性能远没有以HeCs的好;而通过预电离和增加负负载条件下,其余结果基本保持一致,而高负载条件下 载等手段提高入口电子温度,则He/Xe发电机性能就会的间歇放电现象首次进行了二维数值模拟。 Ishikawa 得到大幅提高并可获得40%的焓提取率,但是文章并等通过数值模拟研究了盘式发电机性能并与实验进行 没有研究如何提高初始电导率和保持等离子体的稳定对比,表明一维分析可以很好地预测强电磁相互作用 性及其对发电效率的影响。此后, Harada等研究了下的盘式发电机性能;在接近短路的情况下,流动不 三体复合速率对电离稳定性以及电离稳定性对磁流体稳定増长与实验结果有某种程度上的吻合:即便忽略 发电机的影响。结果表明,采用普遍使用的 Hivnov与氩气的电离过程,发电机性能也可以很好地被预测 Hirschberg三体复合速率曲线时,由于电离的不稳定性模拟结果显示,焦耳热密度大有利于保持等离子体的 导致了盘式发电通道放电场形成了涡旋结构:在更高稳定性,但过大的焦耳热密度会降低发电机性能,因 的电子温度下,采用 Biberman三体复合速率曲线,可此作者建议采用多负载结构以提高盘式发电通道性 以获得稳定的焓提取率,此时放电场和电离相当稳能。 Takahashi Ichinokiyama等采用数值模拟方 定。电离的不稳定性可以通过降低种子浓度、增加负法,以氩气为工质,研究了碰撞-辐射速率模型(CR)

和发生器的发电效率；同时，在高马赫数低静压条件 下，即便磁场很强，洛伦兹力也未对流场产生很大的 阻力。东京工业大学[32-36]还研究了种子完全电离情况下 对等离子体稳定性和松弛区域的影响；采用考虑气体 波动和激波等因素的一维分析方法分析盘式发生器的 实验结果；二维数值模拟分析了边界层、电极区以及 主流区的电流分布并研究了绝热效率与焓提取率的关 系。Lou[37-38]等研究发现盘式发电通道入口种子浓度波 动频率为常数时，增大波动幅度使得焓提取率波动增 大，平均值降低；当波动幅度一定时，焓提取率的波 动频率变化更大；无论是正弦波动还是随机波动，发 生器性能均下降；当种子浓度波动频率为8～10 kHz的 正弦波动时，焓提取率波动最大，平均值最低，因此 盘式发电通道入口种子分数波动频率要避开此频率。 长岗科技大学主要研究的是以He/Xe混合气体为工 质的闭环盘式磁流体发电机。Harada[39-40]等提出一种由 非平衡等离子体发生器驱动的盘式发电机（NPG/CCDisk） 替代由推进剂燃烧产物的法拉第型磁流体发电系统， 研究表明，当盘式发电通道为直通道时，获得的焓提 取率不超过20%；当采用压缩–扩张通道时，在热输入 功率为18 MWt时，焓提取率达到40%；当氧化铝颗粒 和残余氧气超过一定水平时，发电性能就会降低。长 岗科技大学还与美国马歇尔航天中心（Marshall Space Flight Center）合作[41-43]，研究了核反应堆提供1 800 K的总温条件下，以He/Xe混合气体为工质的空间核能 磁流体发电系统，评估了各个子系统的热输入、能量 耗散、压力损失、等熵效率等。文章指出，如果净发 电功率达到1 MW，则质量功率比可下降到3 kg/kW； 如果净发电量超过3 MW，则质量功率比可降到2 kg/kW以下。Harada[44-45]等通过二维数值模拟研究了以 Xe种子代替碱金属的闭环磁流体发电系统，如边界条 件与He/Cs工质的相同，则He/Xe混合气体工质的发电 机的性能远没有以He/Cs的好；而通过预电离和增加负 载等手段提高入口电子温度，则He/Xe发电机性能就会 得到大幅提高并可获得40%的焓提取率，但是文章并 没有研究如何提高初始电导率和保持等离子体的稳定 性及其对发电效率的影响。此后，Harada[46-49]等研究了 三体复合速率对电离稳定性以及电离稳定性对磁流体 发电机的影响。结果表明，采用普遍使用的Hivnov与 Hirschberg三体复合速率曲线时，由于电离的不稳定性 导致了盘式发电通道放电场形成了涡旋结构；在更高 的电子温度下，采用Biberman三体复合速率曲线，可 以获得稳定的焓提取率，此时放电场和电离相当稳 定。电离的不稳定性可以通过降低种子浓度、增加负 载和入口旋转比率来抑制。Yamaguchi[50]等对盘式发电 通道r-θ平面进行二维数值研究结果表明，当入口静温 沿径向随时间波动时，径向电导率分布不均匀，径向 电流和径向最大电势降低，发电机性能降低了13%； 当静温沿方位角随时间波动时，径向电导率、径向电 流以及电极间的压降并无多大的变化，发电机性能稳 定；当静压或径向速度波动时，中间电极和阴极之间 的电导率有所提高。 Kobayashi[51-53]等以纯He为工质，采用预电离的方 法提高盘式发电通道入口气体电离度，二维数值模拟 结果表明，当入口预电离度达到4.79 × 10–5时，在磁场 强度为4 T、负载为3 Ω的条件，发电机性能达到了加 种子的水平，此时焓提取率为22.7%，等熵效率为 54.8%，预电离花费为热输入功率的2%。当边界层附 近的电离度大于主流区时，由于洛伦兹力的作用增 强，导致边界层的充分发展，使得发电机性能下降； 当边界层的电离度小于主流区时，发电机性能得到提 高。由于He的三体复合速率很低，He的电离度在不同 结构尺寸的盘式通道中都近似为常数。Kobayashi[54-55] 等还通过三维数值模拟研究了非平衡等离子体在通道 内的分布情况。在r-θ平面内，等离子体呈涡旋结构分 布；在r-z截面内，若假设气体性质不变，则等离子体 分布呈柱状分布，当考虑到洛伦兹力和焦耳热的影响 时，等离子体分布变得较为均匀。Inui[56-58]等提出一种 新的非平衡等离子体盘式发电机优化设计方法以避免 传统设计方法过于繁琐的缺点，该方法包含7个步骤， 能设计出等离子体稳定、等熵效率高的发电机。通过 对r-z截面的二维数值模拟，研究其扩张通道出口背压 和不同负载对盘式发电机性能的影响，结果表明通过 选择合适的背压条件，可以提高发电机性能，若偏离 最佳背压条件，发电机性能将会降低；通过不同负载 的二维数值模拟结果与一维模拟结果进行对比，除高 负载条件下，其余结果基本保持一致，而高负载条件下 的间歇放电现象首次进行了二维数值模拟。Ishikawa[59-60] 等通过数值模拟研究了盘式发电机性能并与实验进行 对比，表明一维分析可以很好地预测强电磁相互作用 下的盘式发电机性能；在接近短路的情况下，流动不 稳定增长与实验结果有某种程度上的吻合；即便忽略 氩气的电离过程，发电机性能也可以很好地被预测； 模拟结果显示，焦耳热密度大有利于保持等离子体的 稳定性，但过大的焦耳热密度会降低发电机性能，因 此作者建议采用多负载结构以提高盘式发电通道性 能。Takahashi[61]与Ichinokiyama[8]等采用数值模拟方 法，以氩气为工质，研究了碰撞– 辐射速率模型（CR） 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 335

336 深空探测学报 2018年 以及盘式发电通道旋流叶片导电或绝缘时对盘式发电界层的流动现象进行了详细的研究,并称这一现象为 通道性能的影响。结果表明,激发态原子的辐射跃迁“ Extended hartmann flow”。数值模拟和实验结果表 对MHD发电机具有强烈的负面影响,因为辐射跃迁结明,绝缘壁面边界层的 Extended hartmann effects对 合过程使得结合速率要高于只考虑碰撞跃迁的情况,MHD发电机性能具有重要的影响。普林斯顿大学的 使得采用CR模型的电导率要比其它模型的低。采用导 Macheret",等采用电子束电离的方法,研究了高速 电的旋流叶片时,在旋流叶片区域的电子温度较高:低温来流法拉第型MHD发生器的电离动力学方程、电 而采用绝缘旋流叶片时,电子温度较低。在环形电极子束电离分布以及电极和边界层的重要性。文章认为 处,无论是采用导电旋流叶片还是采用绝缘旋流叶片,采用热电离时,边界层温度要远高于主流区,使得边 电子温度并无明显差异,发电机的性能几乎相同 界层电导率极高,容易导致边界层短路:在0.1个大气 荷兰的埃因霍芬理工大学( Technische Hogeschool压下,若要提取到几MJkg的能量,则通道长度需要 Eindhoven)是较早研究磁流体发电的高校之一,其诸 m,电子数密度要达到102~103cm3;由于电子 多研究成果后来被日本继承并发展。Hara等基于激束电离不受气体温度和电场高低的影响,因此无论在 波风洞设备所进行的发电实验的参数和Ar/Cs混合气体低温还是在低电场中,电子束电离方法都可以产生足 工质,对法拉第型磁流体发电机的数值模拟表明,电够的电导率,是电离低温气体最有效的方法 极附近电流密度大,通道内形成明暗相间的条纹状等 gaitonde-.用三维数值模拟方法研究了AJAX的能 离子体结构,在亮条纹内电子温度在4000~6000K,量旁路系统,文章采用高精度鲁棒法( Robust High- 在暗条纹内电子温度在2500K左右时,模拟结果与实 Resolution Technique)求解包含电磁源项的三维 验观察到的现象一致。 eefkind等通过实验和数值 Navier- Stokes方程,着重分析在给定的等离子体环境 模拟,研究了等离子体特性与磁流体发电机的性能关中的电磁效应,MHD发电机和MHD加速器均假设为 系。实验测得盘式发电通道的焓提取率较低,在滞压法拉第型并且分别安装在进口压缩通道和出口扩张通 为042MPa、滞温为2100K的实验条件下,得到的焓道上。结果表明,MHD发电机可以有效地降低入口来 提取率为18%。进一步实验表明,由于电离的不稳定流的速度和总温:由于轴向霍尔场的存在使流体流动 性导致电离分布不均匀,使实验测得的电导率和霍尔方向上产生了涡电流,在一定程度上影响了设备的性 参量偏离理论值:当等离子体的霍尔参数低于临界霍能:不管是MHD发电机还是MHD加速器,在相互作 尔参数时,等离子体会变得相对稳定 用参数较大时,都能产生很高的效率 俄罗斯的 Dogadayev等以氩/铯混合气体为工质, 在日本,法拉第型发生器的研究包含了高超声速 对盘式磁流体发电通道进行了数值模拟。在工质流量飞行器的磁控气道和空间核能磁流体发电两个方面。 为1700kg/s,种子浓度1.6×10、滞温2200K、滞压筑波大学的 Ishikawa等认为电极附近的电流对等离 2MPa等条件下,获得34%的焓提取率,75%的等熵效体分布具有重要影响,文章采用三维数值模拟方法研 率。此外, Payshuk等对空间核能磁流体发电系统进究了电极附近电流的分布情况。结果表明,强霍尔效 行探索,提出一种开环磁流体发电系统,以氢气为工应导致电流密度在阳极上游边界较大,导致相应的温 质,以铯为种子,对一个热功率为200MW的发电系统度也很高,洛伦兹力在强电流区较强,导致强电流区 进行了热分析。在反应堆出口温度为3100K、出口滞域向上游移动;强霍尔效应同时导致了阴极下游的强 压为5MPa、工质流量为5kg/s的条件下,当采用磁场电流区,且洛伦兹力倾向于将电流拖离阴极。筑波大 强度为6T时,获得20.1Mw的电能输出。 学的 Tamada等认为超然冲压发动机进气道的MHD发 2)法拉第型发电研究 电机的横截面需要根据实际需要而灵活变化,在最佳 对于法拉第型发电通道,美国方面的研究主要集负载系数条件下,只要在相同坐标位置的横截面积相 中于高超声速飞行器上。在常物性的MHD流动中,绝同,无论横截面形状是正方形还是长方形,发电机输 缘壁面边界层由于速度的降低导致了电流密度的变出功率均超过10MW且满足 HVEPS项目的目标要求 化,从而产生变化的体积力,影响边界层的流动,这也就是说只要横截面积相同,横截面形状可以灵活选 现象称为哈特曼流( Hartmann Flow),而导电气体择。筑波大学的 Takahashi等认为HⅤEPS实验采用的 由于其物性参数的变化,其绝缘壁面边界层的流动特是DCW( Diagonal Conducting Wal)型发电通道,而 性更为复杂。为此,美国斯坦福大学( Stanford DIw( Diagonal Insulating wal)型、HCW(Hal University)的 Rankin等对可压缩气体的绝缘壁面边 Conducting Wal)型和HW( Hall Insulating Wall)发

以及盘式发电通道旋流叶片导电或绝缘时对盘式发电 通道性能的影响。结果表明，激发态原子的辐射跃迁 对MHD发电机具有强烈的负面影响，因为辐射跃迁结 合过程使得结合速率要高于只考虑碰撞跃迁的情况， 使得采用CR模型的电导率要比其它模型的低。采用导 电的旋流叶片时，在旋流叶片区域的电子温度较高； 而采用绝缘旋流叶片时，电子温度较低。在环形电极 处，无论是采用导电旋流叶片还是采用绝缘旋流叶片， 电子温度并无明显差异，发电机的性能几乎相同。 荷兰的埃因霍芬理工大学（Technische Hogeschool Eindhoven）是较早研究磁流体发电的高校之一，其诸 多研究成果后来被日本继承并发展。Hara[62]等基于激 波风洞设备所进行的发电实验的参数和Ar/Cs混合气体 工质，对法拉第型磁流体发电机的数值模拟表明，电 极附近电流密度大，通道内形成明暗相间的条纹状等 离子体结构，在亮条纹内电子温度在4 000～6 000 K， 在暗条纹内电子温度在2 500 K左右时，模拟结果与实 验观察到的现象一致。Veefkind[63-64]等通过实验和数值 模拟，研究了等离子体特性与磁流体发电机的性能关 系。实验测得盘式发电通道的焓提取率较低，在滞压 为0.42 MPa、滞温为2 100 K的实验条件下，得到的焓 提取率为18%。进一步实验表明，由于电离的不稳定 性导致电离分布不均匀，使实验测得的电导率和霍尔 参量偏离理论值；当等离子体的霍尔参数低于临界霍 尔参数时，等离子体会变得相对稳定。 俄罗斯的Dogadayev[65]等以氩/铯混合气体为工质， 对盘式磁流体发电通道进行了数值模拟。在工质流量 为1 700 kg/s，种子浓度1.6 × 10–5、滞温2 200 K、滞压 2 MPa等条件下，获得34%的焓提取率，75%的等熵效 率。此外，Pavshuk[66]等对空间核能磁流体发电系统进 行探索，提出一种开环磁流体发电系统，以氢气为工 质，以铯为种子，对一个热功率为200 MW的发电系统 进行了热分析。在反应堆出口温度为3 100 K、出口滞 压为5 MPa、工质流量为5 kg/s的条件下，当采用磁场 强度为6 T时，获得20.1 MW的电能输出。 2）法拉第型发电研究 对于法拉第型发电通道，美国方面的研究主要集 中于高超声速飞行器上。在常物性的MHD流动中，绝 缘壁面边界层由于速度的降低导致了电流密度的变 化，从而产生变化的体积力，影响边界层的流动，这 一现象称为哈特曼流（Hartmann Flow），而导电气体 由于其物性参数的变化，其绝缘壁面边界层的流动特 性更为复杂。为此，美国斯坦福大学（Stanford University）的Rankin[67]等对可压缩气体的绝缘壁面边 界层的流动现象进行了详细的研究，并称这一现象为 “Extended Hartmann Flow”。数值模拟和实验结果表 明，绝缘壁面边界层的Extended Hartmann Effects对 MHD发电机性能具有重要的影响。普林斯顿大学的 Macheret[17，68-73]等采用电子束电离的方法，研究了高速 低温来流法拉第型MHD发生器的电离动力学方程、电 子束电离分布以及电极和边界层的重要性。文章认为 采用热电离时，边界层温度要远高于主流区，使得边 界层电导率极高，容易导致边界层短路；在0.1个大气 压下，若要提取到几MJ/kg的能量，则通道长度需要 1～4 m，电子数密度要达到1012～1013 cm –3；由于电子 束电离不受气体温度和电场高低的影响，因此无论在 低温还是在低电场中，电子束电离方法都可以产生足 够的电导率，是电离低温气体最有效的方法。 Gaitonde[74-75]采用三维数值模拟方法研究了AJAX的能 量旁路系统，文章采用高精度鲁棒法（Robust High￾Resolution Technique）求解包含电磁源项的三维 Navier-Stokes方程，着重分析在给定的等离子体环境 中的电磁效应，MHD发电机和MHD加速器均假设为 法拉第型并且分别安装在进口压缩通道和出口扩张通 道上。结果表明，MHD发电机可以有效地降低入口来 流的速度和总温；由于轴向霍尔场的存在使流体流动 方向上产生了涡电流，在一定程度上影响了设备的性 能；不管是MHD发电机还是MHD加速器，在相互作 用参数较大时，都能产生很高的效率。 在日本，法拉第型发生器的研究包含了高超声速 飞行器的磁控气道和空间核能磁流体发电两个方面。 筑波大学的Ishikawa[76]等认为电极附近的电流对等离子 体分布具有重要影响，文章采用三维数值模拟方法研 究了电极附近电流的分布情况。结果表明，强霍尔效 应导致电流密度在阳极上游边界较大，导致相应的温 度也很高，洛伦兹力在强电流区较强，导致强电流区 域向上游移动；强霍尔效应同时导致了阴极下游的强 电流区，且洛伦兹力倾向于将电流拖离阴极。筑波大 学的Tamada[77]等认为超然冲压发动机进气道的MHD发 电机的横截面需要根据实际需要而灵活变化，在最佳 负载系数条件下，只要在相同坐标位置的横截面积相 同，无论横截面形状是正方形还是长方形，发电机输 出功率均超过10 MW且满足HVEPS项目的目标要求， 也就是说只要横截面积相同，横截面形状可以灵活选 择。筑波大学的Takahashi[78]等认为HVEPS实验采用的 是DCW（Diagonal Conducting Wall）型发电通道，而 DIW（Diagonal Insulating Wall）型、HCW（Hall Conducting Wall）型和HIW（Hall Insulating Wall）发 336 深空探测学报 2018年

第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 337 电通道并没有进行过相关的实验研究,因此作者采用得的焓提取率为13.1%,与实验结果(12.9%)相近。 三维数值模拟方法研究了DCW、DW、HCW、HW型21.2实验研究 发电机并与法拉第型发电机进行对比。结果表明, 1)盘式发电 DCW型发电机获得的输出功率最大;与DIW和HIW型 由东京工业大学采用Fuj-1磁流体发电研究设备 发电机相比,DCW和HCW型发电机的壁面电极能够抑(1981-1999年)进行了一系列闭环盘式磁流体发电 制压降损失:霍尔型发电机HCW和HⅤ的输出功率较的研究,其中一个重要目的就是证明闭环盘式磁流 小,法拉第型发电机输出功率与DCW型发电机的相体发电机在低种子浓度和运行时间内具有高焓提取率 近,但其负载连接方式复杂,预算花费较大,因此文的优点。在十几年间,利用Fuj-1设备先后进行的盘式 章认为DCW型发电机最适合用于超然冲压发动机实发电实验研究包括Dsk-F3a、F3r、F4。在入口滞压为 验。日本筑波大学的 Gotoh等对 HVEPS超然冲压发动0.46MPa,滞温为1850K,热输入为2.57MW时, 机MHD发生器进行了数值模拟,其计算程序包含非稳Disk-F3a获得的最大输出功率为404kW,焓提取率为 态的 Navier- Stokes方程,服从于MHD假设的稳态15.7%,当入口滞压为0.60MPa,热输入为34MW Maxwe)程和热化学平衡方程等,得出以下结论:在时,Disk-F3a获得的最大输出功率为517kW;当滞压 小尺寸测试实验下,由于小磁相互作用数而引起的流为024MPa、入口滞温为1930K时,热输入为165MW 场波动可以忽略不计;当标量电导率采用比热化学理时,Disk-F3r获得的最大输出功率297kW,焓提取率 想值降低0.8313时,数值模拟结果与实验结果吻合得相为18%。对Disk-F3a,F3τ的实验硏究证明了盘式发电 当好,虽然将电导率降低为理想值的19%的原因并不机具有较高的发电性能,同时也表明了盘式发电机还 清楚,但是却是合理的,因为存在不完全燃烧和流场有很大的提升空间。1994年,该大学又进行了Disk-F4 的非均匀性:电极附近的压降是MHD诱导电压的0.3~的研究,在2.75MW的热输入功率下,Disk-F4实验获 04倍且数值模拟结果与实验结果能够很好地吻合。另得了506kW的输出功率和184%的焓提取率,在试验 外,筑波大学的 Nagakubo等通过数值模拟研究对角过程中也观察到了一些问题,如种子附着在电极和绝 线型DCW、DIW发生器和分段法拉第型发生器的性缘壁面上,工质混入大量的水蒸气杂质造成输出功率 能,结果表明,DCW发生器输岀功率最大:法拉第型下降。通过采用不锈钢涂层阳极替代铜材料阳极来消 发生器在最大输出功率条件下,电效率最高:3种发生除种子材料附着的问题,采用提高热交换器底部温度 器的磁相互作用数均较小,流场基本无差异。 来减小杂质对工质的污染后,在最后一次的Dsk-F4实 东京工业大学的 Matsumoto等采用一维和二维验中,当热输入功率为3.38MW时,获得的输出功率 非稳态数值模拟方法研究脉冲激光等离子体动力学与为544kW,当热输入功率为2.17WM时,获得的焓提 脉冲激光MHD发生器的性能。其结果表明,发生器的取率为189%。 焓提取率为10%~30%,达到了传统加种子的MHD发 1990年代,微波射频电离被认为是产生和控制盘 生器的性能;发生器输出功率随时间推移存在不同峰式发生器等离子体最有效的方法叫,但是当时还缺乏 值,第一个峰值出现在最初的高电导率等离子体流动对射频电磁场辅助电离的相关实验研究。为验证射频 时,第二个峰值输出功率稍低,但持续时间长,对发电磁场辅助电离的有效性, Fujino等以Ar-Cs为工 生器输出功率的贡献最大;随着脉冲激光能量输入的质,采用激波通道实验设备,分别硏究了入口总温为 增加,发生器的焓提取率也在不断增大。东京工业大2275±75K和2650±50K条件下盘式发电通道性能。 学的 Tanaka等对以高温惰性气体为工质的法拉第通其结果表明,当采用射频电磁场辅助电离时,较低入 道进行了二维数值模拟,结果表明,若要使等离子体口总温的发生器性能得到明显提高,而高温入口的等 从非均匀不稳定状态转化为均匀稳定状态并提高发生离子体稳定性也得到提高,输出功率也有所增大。在 器的性能,则以氦气为工质时,入口总温要从11000Kr-Cs为工质的实验基础上,Itoh则等进一步研究了He- 增至14000K:以氩气为工质时,入口总温要从7000Cs为工质的等离子体发生器。其研究结果表明,射频 K增至10000K:以氙气为工质时,入口总温要从电磁场能够在较大的种子和负载变化条件下提高发生 5000K增至9000K。在低温条件下,氙气的电离波动器性能。 Murakami等认为加种子的方法会使系统复 最小,氦气的焓提取率最大:在高温条件下,离子与杂化且无法精准控制种子浓度,因此他们以纯氩气为 电子的碰撞成了主要碰撞,电导率对电子数密度的依工质,射频电磁场的频率为13.56MHz,功率为5kW, 赖性下降;当采用氩气为工质,外加负载为1Ω时,获研究结果表明,尽管射频电磁场的输入功率小,但是

电通道并没有进行过相关的实验研究，因此作者采用 三维数值模拟方法研究了DCW、DIW、HCW、HIW型 发电机并与法拉第型发电机进行对比。结果表明， DCW型发电机获得的输出功率最大；与DIW和HIW型 发电机相比，DCW和HCW型发电机的壁面电极能够抑 制压降损失；霍尔型发电机HCW和HIV的输出功率较 小，法拉第型发电机输出功率与DCW型发电机的相 近，但其负载连接方式复杂，预算花费较大，因此文 章认为DCW型发电机最适合用于超然冲压发动机实 验。日本筑波大学的Gotoh[79]等对HVEPS超然冲压发动 机MHD发生器进行了数值模拟，其计算程序包含非稳 态的Navier-Stokes方程，服从于MHD假设的稳态 Maxwell方程和热化学平衡方程等，得出以下结论：在 小尺寸测试实验下，由于小磁相互作用数而引起的流 场波动可以忽略不计；当标量电导率采用比热化学理 想值降低0.813时，数值模拟结果与实验结果吻合得相 当好，虽然将电导率降低为理想值的19%的原因并不 清楚，但是却是合理的，因为存在不完全燃烧和流场 的非均匀性；电极附近的压降是MHD诱导电压的0.3～ 0.4倍且数值模拟结果与实验结果能够很好地吻合。另 外，筑波大学的Nagakubo[80]等通过数值模拟研究对角 线型DCW、DIW发生器和分段法拉第型发生器的性 能，结果表明，DCW发生器输出功率最大；法拉第型 发生器在最大输出功率条件下，电效率最高；3种发生 器的磁相互作用数均较小，流场基本无差异。 东京工业大学的Matsumoto[81-82]等采用一维和二维 非稳态数值模拟方法研究脉冲激光等离子体动力学与 脉冲激光MHD发生器的性能。其结果表明，发生器的 焓提取率为10%～30%，达到了传统加种子的MHD发 生器的性能；发生器输出功率随时间推移存在不同峰 值，第一个峰值出现在最初的高电导率等离子体流动 时，第二个峰值输出功率稍低，但持续时间长，对发 生器输出功率的贡献最大；随着脉冲激光能量输入的 增加，发生器的焓提取率也在不断增大。东京工业大 学的Tanaka[83]等对以高温惰性气体为工质的法拉第通 道进行了二维数值模拟，结果表明，若要使等离子体 从非均匀不稳定状态转化为均匀稳定状态并提高发生 器的性能，则以氦气为工质时，入口总温要从11 000 K 增至14 000 K；以氩气为工质时，入口总温要从7 000 K增至10 000 K；以氙气为工质时，入口总温要从 5 000 K增至9 000 K。在低温条件下，氙气的电离波动 最小，氦气的焓提取率最大；在高温条件下，离子与 电子的碰撞成了主要碰撞，电导率对电子数密度的依 赖性下降；当采用氩气为工质，外加负载为1 Ω时，获 得的焓提取率为13.1%，与实验结果（12.9%）相近。 2.1.2 实验研究 1）盘式发电 由东京工业大学采用Fuji-1磁流体发电研究设备 （1981— 1999年）进行了一系列闭环盘式磁流体发电 的研究[84-92]，其中一个重要目的就是证明闭环盘式磁流 体发电机在低种子浓度和运行时间内具有高焓提取率 的优点。在十几年间，利用Fuji-1设备先后进行的盘式 发电实验研究包括Disk-F3a、F3r、F4。在入口滞压为 0.46 MPa，滞温为1 850 K，热输入为2.57 MW时， Disk-F3a获得的最大输出功率为404 kW，焓提取率为 15.7%，当入口滞压为0.60 MPa，热输入为3.4 MW 时，Disk-F3a获得的最大输出功率为517 kW；当滞压 为0.24 MPa、入口滞温为1 930 K时，热输入为1.65 MW 时，Disk-F3r获得的最大输出功率297 kW，焓提取率 为18%。对Disk-F3a，F3r的实验研究证明了盘式发电 机具有较高的发电性能，同时也表明了盘式发电机还 有很大的提升空间。1994年，该大学又进行了Disk-F4 的研究，在2.75 MW的热输入功率下，Disk-F4实验获 得了506 kW的输出功率和18.4%的焓提取率，在试验 过程中也观察到了一些问题，如种子附着在电极和绝 缘壁面上，工质混入大量的水蒸气杂质造成输出功率 下降。通过采用不锈钢涂层阳极替代铜材料阳极来消 除种子材料附着的问题，采用提高热交换器底部温度 来减小杂质对工质的污染后，在最后一次的Disk-F4实 验中，当热输入功率为3.38 MW时，获得的输出功率 为544 kW，当热输入功率为2.17 WM时，获得的焓提 取率为18.9%。 1990年代，微波射频电离被认为是产生和控制盘 式发生器等离子体最有效的方法[93-94]，但是当时还缺乏 对射频电磁场辅助电离的相关实验研究。为验证射频 电磁场辅助电离的有效性，Fujino[95]等以Ar-Cs为工 质，采用激波通道实验设备，分别研究了入口总温为 2 275 ± 75 K和2 650 ± 50 K条件下盘式发电通道性能。 其结果表明，当采用射频电磁场辅助电离时，较低入 口总温的发生器性能得到明显提高，而高温入口的等 离子体稳定性也得到提高，输出功率也有所增大。在 Ar-Cs为工质的实验基础上，Itoh[96]等进一步研究了He￾Cs为工质的等离子体发生器。其研究结果表明，射频 电磁场能够在较大的种子和负载变化条件下提高发生 器性能。Murakami[97-99]等认为加种子的方法会使系统复 杂化且无法精准控制种子浓度，因此他们以纯氩气为 工质，射频电磁场的频率为13.56 MHz，功率为5 kW， 研究结果表明，尽管射频电磁场的输入功率小，但是 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 337

338 深空探测学报 2018年 射频电磁场可将电子温度提高到8000K且能够在较低功率为1.5MW。1960年,西屋公司也建造了尺寸与阿 的入口滞温(4000~4400K)条件下获得15~20kW夫科公司前期建造的发电机大致相同,但是实验中的 的输出功率,而没有射频电磁场辅助电离时,发生器工质为添加了碱金属种子的高温燃气并且采用了耐火 的输出功率几乎可以忽略;连续输入射频电磁功率能材料,通过这些改变,发生器的运行时间延长到了 够使非平衡等离子体结构保持良好的稳定性,发生器1h左右。1964年,田纳西州的阿诺德科学研究中心在 的能量转换效率也得到提高。其次,作者还将射频电类似的发电机上进行工作,为风洞提供所需的功率 磁场辅助电离的盘式发生器和多负载盘式发生器进行 Murray等用了短时高频脉冲(2ns,100kHz 了实验对比。对比结果显示,采用射频电磁场辅助电约10kⅤ/cm)电离方法、最大6T的超导磁铁,实验研 离时,霍尔电压明显提高,等离子体结构稳定,而多究了低温高速来流非平衡电离MHD发生器的性能。实 负载发生器在高种子电离度和高上游负载时,虽然可验结果表明,当磁场强度B=0T时,等离子体主要耦 以提高霍尔电势,但是等离子体不均匀,结构不稳合在边界层上,但是当加了磁场之后,等离子体分布 定:在较大范围的种子浓度和负载变化下,射频电磁就向主流区移动,表明磁场在等离子体分布中扮演重 场辅助电离可以明显提高发生器性能,与传统盘式发要的角色:采用微波衰减技术测得峰值电子数密度在 生器相比,射频电磁场辅助电离的盘式发生器比较适5×10"-5×102cm3之间。俄亥俄州立大学开发了一种 合在低电压和高电流下运行 新的非平衡等离子体超音速MHD风洞实验装置,能够 Murakami等结合实验和数值模拟,研究了高在超音速MHD实验段产生稳定均匀扩散的等离子体 能量转换效率的盘式发生器性能,其工质为Ar或Ar-流0。利用该实验装置, Nishihara等对MHD发 Cs。实验方面,以纯Ar为工质,当入口总温由7600K电通道进行了一系列研究。在磁场强度为1.5T,射频 逐渐提高到9700K,等离子体逐渐从非均匀不稳定状放电功率为500W时,实验测得的霍尔参数β近似为 态转变为均匀稳定状态,此时即便在磁场为0.5T时,3,电导率约等于0.05mho/m;当洛伦兹力与流动方向 发生器性能也得到明显提高,焓提取率达到加种子的相反时,边界层的密度波动强度增加了10%~20%; 水平;当入口总温提高到9000K,磁场由0.5T提高到焦耳热对边界层气体密度波动的影响可以忽略不计。 1.2T时,等离子体结构稳定性和发生器性能得到提采用激光散射方法对磁场强度为1.5T,流速为3Ma的 高:当入口总温超过9500K,磁场超过2T时,发生器实验段边界层进行可视化的研究结果表明,随着雷诺 性能开始恶化。以ArCs为工质进行实验时,测得的入数的增加,边界层流动变得更加混乱,温度波动的空 口总温为2150±150K,入口总压为0.20±0.1MPa,间尺寸减小,通过激光差分干涉实验测量技术测得的 出口马赫数为22±0.1(B=0T)或10±02(B=4T),边界层密度波动结果表明,边界层转戾发生在滞压为 霍尔电流为600~700A,电子温度为400~7000K200~500Tor之间,当洛伦兹力对流体减速时,静压 在r〓55mm处)。数值模拟结果与实验结果保持很上升17%~20%,而洛伦兹力对流体加速时,静压上 好的一致性。数值模拟结果表明,可以通过采用小扩升仅为5%~7%。当边界层滞压从150To变化到450 张角、均匀强磁场、高电导率等离子体,足够大的压Tor时,雷诺数从2.7×103变化到8.1×10°。由美国空 力梯度来克服紧凑型发生器的缺点,提高发生器性军发起的 HVEPS( Hypersonic Vehicle Electric Power 能,使发生器输出功率密度达到0.76GW/m3,等熵效 System)项目,在5年的时间里完成了各种机载高 率达到51%,焓提取率达到17% 超声速MHD发电系统集成和运营等相关工程技术的研 2)法拉第型发电 究,2006年12月建成了高超声速MHD发电的地面测试 1959年,阿夫科公司建造了功率为115kW的实验系统,2007年8月成功完成了地面测试实验 性法拉第型磁流体发电机,这一装置采用3000K的氩 日本对法拉第型发生器的研究也投入了相当多的 等离子体喷流作为工质,通道长宽高尺寸为500×75×人力、物力和财力。 Tanaka1以激波风洞设备为 25mm,通道两侧等距离放置40对电极。由于等离子基础,实验结果表明,通过提高入口总温可以使等离 体与磁场之间的强烈相互作用,实验观察到了可观的子体从非均匀不稳定状态逐渐转变为均匀稳定状态并 压力降。1959年后期,阿夫科开始和一些电器企业合提高了法拉第型发生器的输出功率。对于不同的惰性 作,建造了一个大型的实验性发电机,其长宽高尺寸气体,等离子体从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定 为1500×225×75mm,使用的磁场强度为3.2T,以状态所需的入口总温各不相同,氦气所需的入口总温 酒精燃料燃烧后产生的高温气体为工质,发电机输出要高于氩气,氙气所需的入口总温最低。 Tanaka等

射频电磁场可将电子温度提高到8 000 K且能够在较低 的入口滞温（4 000～4 400 K）条件下获得15～20 kW 的输出功率，而没有射频电磁场辅助电离时，发生器 的输出功率几乎可以忽略；连续输入射频电磁功率能 够使非平衡等离子体结构保持良好的稳定性，发生器 的能量转换效率也得到提高。其次，作者还将射频电 磁场辅助电离的盘式发生器和多负载盘式发生器进行 了实验对比。对比结果显示，采用射频电磁场辅助电 离时，霍尔电压明显提高，等离子体结构稳定，而多 负载发生器在高种子电离度和高上游负载时，虽然可 以提高霍尔电势，但是等离子体不均匀，结构不稳 定；在较大范围的种子浓度和负载变化下，射频电磁 场辅助电离可以明显提高发生器性能，与传统盘式发 生器相比，射频电磁场辅助电离的盘式发生器比较适 合在低电压和高电流下运行。 Murakami[100-102]等结合实验和数值模拟，研究了高 能量转换效率的盘式发生器性能，其工质为Ar或Ar￾Cs。实验方面，以纯Ar为工质，当入口总温由7 600 K 逐渐提高到9 700 K，等离子体逐渐从非均匀不稳定状 态转变为均匀稳定状态，此时即便在磁场为0.5 T时， 发生器性能也得到明显提高，焓提取率达到加种子的 水平；当入口总温提高到9 000 K，磁场由0.5 T提高到 1.2 T时，等离子体结构稳定性和发生器性能得到提 高；当入口总温超过9 500 K，磁场超过2 T时，发生器 性能开始恶化。以Ar-Cs为工质进行实验时，测得的入 口总温为2 150 ± 150 K，入口总压为0.20 ± 0.1 MPa， 出口马赫数为2.2 ± 0.1（B = 0 T）或1.0 ± 0.2（B = 4 T）， 霍尔电流为600～700 A，电子温度为4 00～7 000 K （在r = 55 mm处）。数值模拟结果与实验结果保持很 好的一致性。数值模拟结果表明，可以通过采用小扩 张角、均匀强磁场、高电导率等离子体，足够大的压 力梯度来克服紧凑型发生器的缺点，提高发生器性 能，使发生器输出功率密度达到0.76 GW/m3，等熵效 率达到51%，焓提取率达到17%。 2）法拉第型发电 1959年，阿夫科公司建造了功率为11.5 kW的实验 性法拉第型磁流体发电机，这一装置采用3 000 K的氩 等离子体喷流作为工质，通道长宽高尺寸为500 × 75 × 25 mm，通道两侧等距离放置40对电极。由于等离子 体与磁场之间的强烈相互作用，实验观察到了可观的 压力降。1959年后期，阿夫科开始和一些电器企业合 作，建造了一个大型的实验性发电机，其长宽高尺寸 为1 500 × 225 × 75 mm，使用的磁场强度为3.2 T，以 酒精燃料燃烧后产生的高温气体为工质，发电机输出 功率为1.5 MW。1960年，西屋公司也建造了尺寸与阿 夫科公司前期建造的发电机大致相同，但是实验中的 工质为添加了碱金属种子的高温燃气并且采用了耐火 材料，通过这些改变，发生器的运行时间延长到了 1 h左右。1964年，田纳西州的阿诺德科学研究中心在 类似的发电机上进行工作，为风洞提供所需的功率[2]。 Murray[19，103-104]等采用了短时高频脉冲（2 ns，100 kHz， 约10 kV/cm）电离方法、最大6 T的超导磁铁，实验研 究了低温高速来流非平衡电离MHD发生器的性能。实 验结果表明，当磁场强度B = 0 T时，等离子体主要耦 合在边界层上，但是当加了磁场之后，等离子体分布 就向主流区移动，表明磁场在等离子体分布中扮演重 要的角色；采用微波衰减技术测得峰值电子数密度在 5 × 1011~5 ×1012 cm –3之间。俄亥俄州立大学开发了一种 新的非平衡等离子体超音速MHD风洞实验装置，能够 在超音速MHD实验段产生稳定均匀扩散的等离子体 流[105-108]。利用该实验装置，Nishihara[109-111]等对MHD发 电通道进行了一系列研究。在磁场强度为1.5 T，射频 放电功率为500 W时，实验测得的霍尔参数β近似为 3，电导率约等于0.05 mho/m；当洛伦兹力与流动方向 相反时，边界层的密度波动强度增加了10%～20%； 焦耳热对边界层气体密度波动的影响可以忽略不计。 采用激光散射方法对磁场强度为1.5 T，流速为3 Ma的 实验段边界层进行可视化的研究结果表明，随着雷诺 数的增加，边界层流动变得更加混乱，温度波动的空 间尺寸减小，通过激光差分干涉实验测量技术测得的 边界层密度波动结果表明，边界层转戾发生在滞压为 200～500 Torr之间，当洛伦兹力对流体减速时，静压 上升17%～20%，而洛伦兹力对流体加速时，静压上 升仅为5%～7%。当边界层滞压从150 Torr变化到450 Torr时，雷诺数从2.7 × 105变化到8.1 × 105。由美国空 军发起的HVEPS（Hypersonic Vehicle Electric Power System）项目[112-114]，在5年的时间里完成了各种机载高 超声速MHD发电系统集成和运营等相关工程技术的研 究，2006年12月建成了高超声速MHD发电的地面测试 系统，2007年8月成功完成了地面测试实验。 日本对法拉第型发生器的研究也投入了相当多的 人力、物力和财力。Tanaka[115-119]等以激波风洞设备为 基础，实验结果表明，通过提高入口总温可以使等离 子体从非均匀不稳定状态逐渐转变为均匀稳定状态并 提高了法拉第型发生器的输出功率。对于不同的惰性 气体，等离子体从非均匀不稳定状态转变为均匀稳定 状态所需的入口总温各不相同，氦气所需的入口总温 要高于氩气，氙气所需的入口总温最低。Tanaka[120]等 338 深空探测学报 2018年

第4期 黄护林等:等离子体磁流体发电研究进展 339 以激波风洞设备为基础,实验研究高温纯氩气线性型 次流增强。然而吕浩宇是基于电导率在通道内均匀 法拉第发生器,当入口总温为900CK,总压为0105MPa、分布的假设下进行的模拟研究,且对维持恒定电导率 磁场强度为4T时,最大输出功率达到155kW,对应所外加的电离能未加入能量方程中,这与实际情况不 的焓提取率为11.3%,在第4对电极处,最大功率密度符合。许振宇采用分裂式算法对直方通道磁流体发 达到187MW/m3,输出功率和等离子体发光波动较生器的电磁效应进行了模拟,结果表明分列式算法在 小,等离子体相当稳定:当入口总温从8000K提高到超声速磁流体发电器等截面管道流动的数值计算中是 9000K时,发生器性能获得显著的提升,电极附近压降具有可靠性的。南京航空航天大学的黄浩等主要 明显,是导致发生器性能下降的重要原因。 Murakami从不同负载系数、不同磁场强度、不同电极/绝缘比 等用短时脉冲激波实验设备,入口总温从7000K增大S以及不同电离花费这4个方面对高超声速磁流体发生 到9000K,磁场强度从2T增大到4T时,发现通道的器性能进行数值模拟,当负载系数为0.5时,输出功率 等离子体从入口处的热电离平衡态逐渐变为MHD通道达到最大;磁场强度为8T,电导率为20mho/m,管道 中的弱非平衡电离态,放电结构相当稳定,发生器性长度为05m时,可将来流从6Ma降至3Ma以下且温度 能随入口总温和磁场强度的增加而单调递增;当总温能够保持在800K以下;当S=1时,焦耳热最小,有利 达到9000K,磁场强度达到4T时,焓提取率达到于对来流的焓提取,但要增加电极布置密度:电离花 13.1%,通道平均功率密度达到0.16GW/m,局部功率费(单位:MW/m3)为006、06、6、30、300时,产 密度达到024GW/m。 Komatsu2等实验研究在入口总生的电导率(单位:mho/m)分别为0.28、0.9、3 温为9000K、总压为0.105MPa、磁场强度为4T的条7、27,当电离能量花费为30MW/m3,磁场强度为10T 件下,发现无论是采用线性霍尔连接方式或对角连接时,能量提取率达到26%,发生器性能达到最佳。中 方式,通道中等离子体均较为稳定;当采用霍尔连接国航天空气动力技术研究院的胡海洋等采用无虚拟 方式时,焓提取率为56%:当采用对角连接方式时 时间步长 LUSGS预处理BL- CGSTAB算法对大霍尔系数 斜连角范围在53°-66°时,焓提取率为67%,斜连角范下电离气体与磁场相互作用规律进行研究,在霍尔系 围在36°48°时,焓提取率为10.1% 数为103量级条件下,如不抑制霍尔电流,电磁力作用 22国内研究 效果将大大降低,阴极冷却可以有效地抑制霍尔效 22.1数值模拟 应,阴极冷却越好,霍尔系数越小。此外,由于等离 北京航空航天大学的郑小梅-对超然冲压发动子体磁流体的电磁效应在流动控制方面具有广阔的应用 机的磁控进气道进行了数值模拟,结果表明,外加磁情景,因此在这一方面,国内也进行过相关研究, 场作用于弱等离子体流可使非设计马赫数下进气道激主要围绕高超声速前体/进气道的MHD流动控制、进气 波满足SOL( Shock on Lip)条件,并使出口处的流动道边界层分离、高超声速弱电离气体绕钝头体/楔形体 变得均匀:当飞行马赫数大于设计马赫数时,采用磁等流动控制的研究 控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点,并减22.2实验研究 小燃烧室入口处的马赫数。吕浩宇11对三维磁流体 我国的等离子体磁流体发电实验研究起步于20世 发电通道内流动特性的研究结果显示,通道内的马赫纪60年代初期并且主要以燃煤磁流体发电研究为主 数和总焓均降低且在主流区中沿磁场方向的平面内出中科院电工所首先参与了燃煤磁流体发电的研究,上 现了二维流动效应,电流扭曲现象随着磁相互作用参海发电设备成套研究所、东南大学等也先后加入了等 数的增大而越发明显,甚至出现了涡电流:霍尔效应离子体磁流体发电的研究。中科院电工所在1964年、 可以延缓涡电流的产生,同时也破坏了通道中流场、1965年研制的燃煤磁流体发电机分别发出了80W、 电场以及焦耳热的对称性;对考虑霍尔效应的压缩管300W电功率,其中1965年的改进型发电机组成功运 道进行了数值模拟并与直方通道进行对比,发现压缩行了3mn并在1966年的成果展览会上展出。1972年上 管道内出现了严重的二次流现象并产生沿流向的电海电机厂特种电机研究室研制成功了当时我国容量最 流,使得发生器的焓提取率降低,所以压缩通道的发大的短时间磁流体发电机,输出功率为580kW,运行 生器性能要弱于直方通道的性能:输出电能、焓提取Imin。1974年,南京工学院磁流体硏究小组建成 率与通道横截面积呈非线性。由于涡电流和二次流效了我国第一台能提供1500℃高温预热空气的石球式高 应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,温预热器的小型磁流体发电机装置JS-1并进行试验测 二次流较弱,而形状参数较大的发生器焦耳热较小,试,该装置主要由磁流体发电机、逆变器、燃烧室

以激波风洞设备为基础，实验研究高温纯氩气线性型 法拉第发生器，当入口总温为9 000 K，总压为0.105 MPa、 磁场强度为4 T时，最大输出功率达到15.5 kW，对应 的焓提取率为11.3%，在第4对电极处，最大功率密度 达到187 MW/m3，输出功率和等离子体发光波动较 小，等离子体相当稳定；当入口总温从8 000 K提高到 9 000 K时，发生器性能获得显著的提升，电极附近压降 明显，是导致发生器性能下降的重要原因。Murakami[121] 等用短时脉冲激波实验设备，入口总温从7 000 K增大 到9 000 K，磁场强度从2 T增大到4 T时，发现通道的 等离子体从入口处的热电离平衡态逐渐变为MHD通道 中的弱非平衡电离态，放电结构相当稳定，发生器性 能随入口总温和磁场强度的增加而单调递增；当总温 达到9 000 K，磁场强度达到4 T时，焓提取率达到 13.1%，通道平均功率密度达到0.16 GW/m3，局部功率 密度达到0.24 GW/m3。Komatsu[122]等实验研究在入口总 温为9 000 K、总压为0.105 MPa、磁场强度为4 T的条 件下，发现无论是采用线性霍尔连接方式或对角连接 方式，通道中等离子体均较为稳定；当采用霍尔连接 方式时，焓提取率为5.6%；当采用对角连接方式时， 斜连角范围在53°~66°时，焓提取率为6.7%，斜连角范 围在36°~48°时，焓提取率为10.1%。 2.2 国内研究 2.2.1 数值模拟 北京航空航天大学的郑小梅[123-126]对超然冲压发动 机的磁控进气道进行了数值模拟，结果表明，外加磁 场作用于弱等离子体流可使非设计马赫数下进气道激 波满足SOL（Shock on Lip）条件，并使出口处的流动 变得均匀；当飞行马赫数大于设计马赫数时，采用磁 控进气道可以调整激波位置使激波回到设计点，并减 小燃烧室入口处的马赫数。吕浩宇[127-129]对三维磁流体 发电通道内流动特性的研究结果显示，通道内的马赫 数和总焓均降低且在主流区中沿磁场方向的平面内出 现了二维流动效应，电流扭曲现象随着磁相互作用参 数的增大而越发明显，甚至出现了涡电流；霍尔效应 可以延缓涡电流的产生，同时也破坏了通道中流场、 电场以及焦耳热的对称性；对考虑霍尔效应的压缩管 道进行了数值模拟并与直方通道进行对比，发现压缩 管道内出现了严重的二次流现象并产生沿流向的电 流，使得发生器的焓提取率降低，所以压缩通道的发 生器性能要弱于直方通道的性能；输出电能、焓提取 率与通道横截面积呈非线性。由于涡电流和二次流效 应的影响，形状参数较小的发生器焦耳热较为严重， 二次流较弱，而形状参数较大的发生器焦耳热较小， 二次流增强。然而吕浩宇是基于电导率在通道内均匀 分布的假设下进行的模拟研究，且对维持恒定电导率 所外加的电离能未加入能量方程中，这与实际情况不 符合。许振宇[130]采用分裂式算法对直方通道磁流体发 生器的电磁效应进行了模拟，结果表明分列式算法在 超声速磁流体发电器等截面管道流动的数值计算中是 具有可靠性的。南京航空航天大学的黄浩[131-133]等主要 从不同负载系数、不同磁场强度、不同电极/绝缘比 S以及不同电离花费这4个方面对高超声速磁流体发生 器性能进行数值模拟，当负载系数为0.5时，输出功率 达到最大；磁场强度为8 T，电导率为20 mho/m，管道 长度为0.5 m时，可将来流从6 Ma降至3 Ma以下且温度 能够保持在800 K以下；当S = 1时，焦耳热最小，有利 于对来流的焓提取，但要增加电极布置密度；电离花 费（单位：MW/m3）为0.06、0.6、6、30、300时，产 生的电导率（单位：mho/m）分别为0.28、0.9、3、 7、27，当电离能量花费为30 MW/m3，磁场强度为10 T 时，能量提取率达到26%，发生器性能达到最佳。中 国航天空气动力技术研究院的胡海洋[134]等采用无虚拟 时间步长LUSGS预处理BI-CGSTAB算法对大霍尔系数 下电离气体与磁场相互作用规律进行研究，在霍尔系 数为102量级条件下，如不抑制霍尔电流，电磁力作用 效果将大大降低，阴极冷却可以有效地抑制霍尔效 应，阴极冷却越好，霍尔系数越小。此外，由于等离 子体磁流体的电磁效应在流动控制方面具有广阔的应用 情景，因此在这一方面，国内也进行过相关研究[135-142]， 主要围绕高超声速前体/进气道的MHD流动控制、进气 道边界层分离、高超声速弱电离气体绕钝头体/楔形体 等流动控制的研究。 2.2.2 实验研究 我国的等离子体磁流体发电实验研究起步于20世 纪60年代初期并且主要以燃煤磁流体发电研究为主， 中科院电工所首先参与了燃煤磁流体发电的研究，上 海发电设备成套研究所、东南大学等也先后加入了等 离子体磁流体发电的研究。中科院电工所在1964年、 1965年研制的燃煤磁流体发电机分别发出了80 W、 300 W电功率，其中1965年的改进型发电机组成功运 行了3 min并在1966年的成果展览会上展出。1972年上 海电机厂特种电机研究室研制成功了当时我国容量最 大的短时间磁流体发电机，输出功率为580 kW，运行 1 min。1974年，南京工学院[2，143]磁流体研究小组建成 了我国第一台能提供1 500 ℃高温预热空气的石球式高 温预热器的小型磁流体发电机装置JS-1并进行试验测 试，该装置主要由磁流体发电机、逆变器、燃烧室、 第 4 期 黄护林等：等离子体磁流体发电研究进展 339

340 深空探测学报 2018年 高温气体预热器、种子回收设备、测量方法以及蒸汽体的扩撒受磁场限制导致电离度提高。尺寸为16mmx 发生器等。1978年,他们又研制了我国第一台小型的10mm×20mm为MHD发电通道,在3.5Ma、质量流 民用磁流体发电机,其输出功率为12kW,累计运行率为0023kg/m3、磁场强度为125T的条件下,测得的 时间达到了1000h。在此试验基础上,南京工学院的开路电压为10V,当磁场强度为1T时,可稳定输出功 周纪瑜"还对JS-2磁流体发电机电极的温度场与热应率0.12MW。 力进行了数值分析,认为陶瓷电极与金属电极的工作 温度均低于其最佳工作温度,宜将陶瓷电极片厚度增 3结论 加1~2mm,使其工作温度达到1600℃,以改善其工 本文回顾了等离子体磁流体发电的发展历程,重 作性能:陶瓷电极片冷端面温度低于300℃,不利于点分析了等离子体磁流体发电研究的关键问题和研究 电极片冷端面的导电,必须提高背面温度;电极绝缘热点,得到如下结论 层前端(迎火面)因温度过高而烧毁:陶瓷电极铜肋 1)对等离子体磁流体发电的研究将会不断深化, 靠近迎气流面处温度已达300℃,超过绝缘硅橡胶使其应用范围也会越来越大,潜在的应用价值将被逐渐 用温度,必须降低其工作温度:MHD通道中电场与磁揭示 场的存在使燃气向电极壁的放热系数增加大约18%, 2)无论是应用于高超声速飞行器的磁流体发电还 与无磁场状态相比,陶瓷电极峰值温度增加90℃左是空间核能磁流体发电,目前的硏究还处在理论和实 右,金属电极増加45℃左右。由于燃煤磁流体发电能验研究阶段,距工程化应用还有一定的时间,还需要 够将矿物质燃料发电厂的发电效率提高到50%以上并相当多的技术积累 且输出功率极高,因此在20世纪60年代到90年代一直 3)对等离子体磁流体发电技术的研究将会带动磁 是国际研究的重点,国内研究者详细介绍了国外流体动力学、等离子物理、高温技术、材料科学等相 有关研究进展和研究计划,总结了国外燃煤磁流体发关领域的发展,促进航空航天技术的进步, 电实验的经验和教训,为我国燃煤磁流体发电提供很 好的建议,对燃煤发电通道的一些关键问题进行分析 参考文 研究14 [刘飞标,朱安文,唐玉华.磁流体发电系统在空间电源中的应用研 进入21世纪后,我国的等离子体发电研究也开始 究p]航天器工程,201524(1):11119 转向了多元化应用研究,其中包括了爆炸型磁流体发 LIU F B, ZHU A W, TANG Y H. Research on MHD power generation system in space electrical power application[]. Spacecraft 电、高超声速飞行器进气道的流动控制、空间核能磁 Engineering, 2015, 24(1):111-119 流体发电等。 2]张百灵,朱涛,李益文,等超声速气流磁流体加速技术的应用与发 爆炸磁流体发电机是利用高能炸药在爆炸室中爆 展力学与实践,2013,35(2):13-21 炸生成的高温高压等离子体进行发电,这种发电机能 ZHANG B L, ZHU T,LI Y W,et al. Application and development of onic airflow accel 够输出高功率电脉冲,很适合应用于高功率微波发生 magnetohydrodynamics[J]. Mechanics in Engineering, 2013, 35(2) 器中。中科院的李希南建成了国内首套研究型爆炸 磁流体发电装置,发现容器直径与炸药柱直径之比过KoAs: . et al. Experiments on 大的容器不能作为爆炸等离子体发生器:研制成功可 with hall and diagonal connections[J]. Electrical Engineering in 以承受24kV电压和743kA电流多次脉冲击的高场磁 Japan,2015,193(3):17-23 体实验装置,可重复利用的发电通道,爆炸压力测 [4] MURAKAMI T, OKUNO Y, Experiment and simulation of MHD 量、脉冲磁场测量、高低电压隔离等测量系统。空军 gent channel[CJIAlAA Plasmadynamics and Lasers Conference. [S 1 AlAA, 2013: 861-72 工程大学的李益文等采用电容耦合射频放电电离5] LIBERATI A. OKUNO Y. Influence of anode-region boundary-layer 超音速气体,以A为工质、K2CO3为种子对MHD发生 separation on disk MHD-generator performance]- IEEE 器进行初步试验,通道入口总压为032MPa、总温 Transactions on Plasma Science, 2007. 35(5): 1588-1597 6504K、磁场强度为0.5T、出口速度为1959m/s,实 6 VEEFKIND A, KARAVASILEV P,WANG D Performance experiments with a shock-tunnel-driven argon- cesium MHD disk 验测得的电导率约为20Sm,当负载系数为0.5时,输 generator[J] Journal of Propulsion and Power, 2015, 4(4): 363-369 出功率达到了47971MWm,焓提取率为034%。稳 [7 HARADA N, KIZUKA N,OKAMURA T, et al. Improvement of 定的超音速流可以保证放电试验的可靠性;超音速流 enthalpy extraction over 30% using a disk MHD generator with inlet swirl]- Energy Conversion Management 1995. 36(5): 355-364 的放电区域相对较小且空间分布随时间变化:等离子8] ICHINOKIYAMA D, FUJINO T. Numerical analysis of non

高温气体预热器、种子回收设备、测量方法以及蒸汽 发生器等。1978年，他们又研制了我国第一台小型的 民用磁流体发电机，其输出功率为12 kW，累计运行 时间达到了1 000 h。在此试验基础上，南京工学院的 周纪瑜[144]还对JS-2磁流体发电机电极的温度场与热应 力进行了数值分析，认为陶瓷电极与金属电极的工作 温度均低于其最佳工作温度，宜将陶瓷电极片厚度增 加1～2 mm，使其工作温度达到1 600 ℃，以改善其工 作性能；陶瓷电极片冷端面温度低于300 ℃，不利于 电极片冷端面的导电，必须提高背面温度；电极绝缘 层前端（迎火面）因温度过高而烧毁；陶瓷电极铜肋 靠近迎气流面处温度已达300 ℃，超过绝缘硅橡胶使 用温度，必须降低其工作温度；MHD通道中电场与磁 场的存在使燃气向电极壁的放热系数增加大约18%， 与无磁场状态相比，陶瓷电极峰值温度增加90 ℃左 右，金属电极增加45 ℃左右。由于燃煤磁流体发电能 够将矿物质燃料发电厂的发电效率提高到50%以上并 且输出功率极高，因此在20世纪60年代到90年代一直 是国际研究的重点，国内研究者[145-148]详细介绍了国外 有关研究进展和研究计划，总结了国外燃煤磁流体发 电实验的经验和教训，为我国燃煤磁流体发电提供很 好的建议，对燃煤发电通道的一些关键问题进行分析 研究[149-158]。 进入21世纪后，我国的等离子体发电研究也开始 转向了多元化应用研究，其中包括了爆炸型磁流体发 电、高超声速飞行器进气道的流动控制、空间核能磁 流体发电等。 爆炸磁流体发电机是利用高能炸药在爆炸室中爆 炸生成的高温高压等离子体进行发电，这种发电机能 够输出高功率电脉冲，很适合应用于高功率微波发生 器中。中科院的李希南[159]建成了国内首套研究型爆炸 磁流体发电装置，发现容器直径与炸药柱直径之比过 大的容器不能作为爆炸等离子体发生器；研制成功可 以承受24 kV电压和74.3 kA电流多次脉冲击的高场磁 体实验装置，可重复利用的发电通道，爆炸压力测 量、脉冲磁场测量、高低电压隔离等测量系统。空军 工程大学的李益文[160-162]等采用电容耦合射频放电电离 超音速气体，以Ar为工质、K2CO3为种子对MHD发生 器进行初步试验，通道入口总压为0.32 MPa、总温 6 504 K、磁场强度为0.5 T、出口速度为1 959 m/s，实 验测得的电导率约为20 S/m，当负载系数为0.5时，输 出功率达到了4.797 1 MW/m3，焓提取率为0.34%。稳 定的超音速流可以保证放电试验的可靠性；超音速流 的放电区域相对较小且空间分布随时间变化；等离子 体的扩撒受磁场限制导致电离度提高。尺寸为16 mm × 10 mm × 20 mm为MHD发电通道，在3.5 Ma、质量流 率为0.023 kg/m3、磁场强度为1.25 T的条件下，测得的 开路电压为10 V，当磁场强度为1 T时，可稳定输出功 率0.12 MW。 3 结 论 本文回顾了等离子体磁流体发电的发展历程，重 点分析了等离子体磁流体发电研究的关键问题和研究 热点，得到如下结论： 1）对等离子体磁流体发电的研究将会不断深化， 其应用范围也会越来越大，潜在的应用价值将被逐渐 揭示； 2）无论是应用于高超声速飞行器的磁流体发电还 是空间核能磁流体发电，目前的研究还处在理论和实 验研究阶段，距工程化应用还有一定的时间，还需要 相当多的技术积累； 3）对等离子体磁流体发电技术的研究将会带动磁 流体动力学、等离子物理、高温技术、材料科学等相 关领域的发展，促进航空航天技术的进步。 参考文献 刘飞标，朱安文，唐玉华. 磁流体发电系统在空间电源中的应用研 究[J]. 航天器工程，2015，24（1）：111-119. LIU F B，ZHU A W，TANG Y H. Research on MHD power generation system in space electrical power application[J]. Spacecraft Engineering，2015，24（1）：111-119. [1] 张百灵，朱涛，李益文，等. 超声速气流磁流体加速技术的应用与发 展[J]. 力学与实践，2013，35（2）：13-21. ZHANG B L，ZHU T，LI Y W，et al. Application and development of supersonic airflow acceleration technology based on magnetohydrodynamics[J]. Mechanics in Engineering，2013，35（2）： 13-21. [2] KOMATSU F，TANAKA M，MURAKAMI T，et al. Experiments on high-temperature inert gas plasma MHD electrical power generation with hall and diagonal connections[J]. Electrical Engineering in Japan，2015，193（3）：17-23. [3] MURAKAMI T，OKUNO Y. Experiment and simulation of MHD power generation using convexly divergent channel[C]//AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference.[S. l.]：AIAA，2013：861-72. [4] LIBERATI A，OKUNO Y. Influence of anode-region boundary-layer separation on disk MHD-generator performance[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2007，35（5）：1588-1597. [5] VEEFKIND A，KARAVASILEV P，WANG D. Performance experiments with a shock-tunnel-driven argon-cesium MHD disk generator[J]. Journal of Propulsion and Power，2015，4（4）：363-369. [6] HARADA N，KIZUKA N，OKAMURA T，et al. Improvement of enthalpy extraction over 30% using a disk MHD generator with inlet swirl[J]. Energy Conversion & Management，1995，36（5）：355-364. [7] [8] ICHINOKIYAMA D，FUJINO T. Numerical analysis of non- 340 深空探测学报 2018年