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