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