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