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