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