一种新型非平衡态等离子体热电转换系统及关键问题研究

摘要

面对日益严重的环境和能源问题，需要开发新型高效的热电转换方式。常规磁流体发电是一种高效、低污染的直接热电转换技术，但是因其热电离机理导致工质温度过高，难以进行实际应用。近年来对非平衡态等离子体的深入研究，给常规磁流体发电技术带来新的发展方向。在此基础上深入研究其能量转换机理，提高热效率成为研究的重点。
　　针对常规磁流体发电技术的不足，本文提出一种新型的利用汽化潜热的非平衡态等离子体磁流体热电转换系统的概念，并对其关键问题进行理论和实验研究。这一能量转换是朗肯循环在应用方面新的拓展，具有结构简单、发电效率高、热能利用率高等突出优势。对于该课题的研究不但对于开发新型磁流体发电技术有实际意义，同时对于高超音速流动控制、磁流体推动、飞行器减阻以及压水堆核电技术等相关领域有重要的科学、技术和实际意义。
　　该系统中，气体在通道中膨胀凝结，形成分子团簇，将一部分汽化潜热转化为气体动能，形成高速流动;采用电感耦合放电产生非平衡态等离子体;采用霍尔型磁流体发电机结构进行磁流体发电，将气体的能量转化为电能输出。采用一维稳态方程分析方法，分别对这种发电系统的循环热效率、气体膨胀凝结通道、ICP放电通道、磁流体发电通道进行理论分析。指出在超超临界参数条件下，理论上可以获得约50％的循环热效率。
　　传统膨胀凝结模型对本文的凝结过程无法适用。本文采用分子动力学和密度泛函方法对该系统中气体膨胀凝结过程进行模拟。采用NPH系综方法，对饱和气体进行定焓膨胀过程模拟。在此基础上，采用分子动力学方法和密度泛函方法对不同尺寸的H2O分子团簇进行了系统研究。并且计算了团簇的分子间总势能变化。
　　基于该团簇理论，本文提出了新型的气体膨胀凝结模型。讨论了凝结速率表达形式的选择，并在不同工况中，应用基于团簇理论的气体膨胀凝结模型计算结果和理想等熵过程计算出的结果相比较，证明该计算模型可以用于计算气体膨胀凝结过程。
　　本文建立了非平衡态等离子体动量和能量传递模型。该模型中，离子和中性粒子间的动量和能量传递通过相互作用项描述，荷电粒子和亚稳态粒子用drift-diffusion近似来描述，中性气体用Navier-Stokes方程描述。以Ar作为工作气体，在假设条件下，讨论了气体流动特性和气体放电特性的关系。
　　基于以上两个理论模型，建立这种磁流体热电转换系统的理论框架，并通过耦合高马赫数流动模型、气体膨胀凝结模型、等离子体与磁流体过程模型的计算方法，对该能量转换系统进行数值模拟。验证了这种热电能量转换形式的可行性，并分析该系统的各种工作性能。同时指出ICP放电功率总是远远小于发电机输出功率，该发电系统展示出极好的热效率。
　　最后，本文对非平衡态等离子体和流动相互作用进行了初步的实验研究。采用N2和空气作为工作气体，采用介质阻挡放电形式，采用光谱方法对等离子体中的参数进行了实验研究，为非平衡态等离子体磁流体应用进行了初步的实验探索。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 直接热电转换研究综述

1．2．1 热离子能量转换

1．2．2 碱金属热电转换技术

1．2．3 磁流体发电技术

1．3 磁流体发电技术新进展概述

1．4 非平衡态等离子体概述

1．4．1 非平衡态等离子体

1．4．2 等离子体理论方法

1．5 低温非平衡态等离子体能量转换机理的设想

1．5．1 通过非平衡外部电离方法获得高电导率的等离子体

1．5．2 利用汽化潜热提高气体能量转化效率

1．6 本课题研究内容与意义

1．6．1 本课题研究内容

1．6．2 本课题研究意义

1．6．3 本课题研究难点

1．6．4 本论文各章节具体工作简述

第二章 利用汽化潜热的磁流体发电系统概念设计和理论分析

2．1 概述

2．2 发电过程概念设计

2．3 系统循环热效率

2．3．1 循环系统

2．3．2 循环热效率

2．4 膨胀凝结通道

2．4．1 膨胀凝结通道结构

2．4．2 膨胀凝结通道出口速度变化

2．4．3 膨胀凝结通道参数变化

2．4．4 气体温度和压力变化

2．4．5 气体速度和密度变化

2．4．6 气体干度变化

2．5 ICP放电通道

2．5．1 ICP放电通道结构

2．5．2 工质选择

2．5．3 ICP放电功率

2．6 磁流体发电通道

2．6．1 磁流体发电通道

2．6．2 一维评估

2．7 本章小结

第三章 水分子团簇动力学过程研究和结构分析

3．1 概述

3．2 分子动力学相变研究现状简介和团簇的量子化学理论研究

3．2．1 分子动力学相变研究现状简介

3．2．2 团簇的量子化学理论研究

3．3 分子动力学理论和密度泛函理论简述

3．3．1 分子动力学理论简介

3．3．2 密度泛函理论简述

3．4 水分子团簇动力学模拟方法

3．4．1 统计系综的选择

3．4．2 模拟步骤

3．4．3 团簇判据

3．5 水分子团簇动力学过程模拟结果

3．5．1 团簇形成过程模拟结果

3．5．2 凝结过程中的参数分析

3．6 膨胀凝结过程的讨论

3．7 水分子团簇结构计算结果

3．7．1 H2O团簇的结构计算方法

3．7．2 几种H2O团簇的结构

3．7．3 团簇自由能

3．7．4 相对稳定团簇结构

3．7．5 形成团簇释放的分子间势能

3．8 本章小结

第四章 基于团簇理论的膨胀凝结模型

4．1 概述

4．1．1 经典的气体膨胀凝结理论

4．1．2 等离子体过程中经典膨胀凝结理论的困难

4．2 基于团簇理论的膨胀凝结模型

4．2．1 基于团簇的气体膨胀凝结基本假设

4．2．2 控制方程

4．3 计算方法与计算结果

4．3．1 与等离子体磁流体发电过程结合的膨胀方法

4．3．2 凝结速率的形式对于计算结果的影响

4．3．3 膨胀凝结过程参数的变化

4．4 与经典CNT方法的比较

4．5 本章小结

第五章 非平衡态等离子体的动量和能量传递过程

5．1 概述

5．1．1 非平衡态等离子体中离子-中性粒子碰撞模型

5．1．2 非平衡态等离子体流体模型简介

5．1．3 非平衡态等离子体的形成机理

5．2 等离子体计算模型

5．2．1 等离子体动量和能量传递项

5．2．2 等离子体流体模型

5．2．3 中性粒子流动

5．2．4 Ar等离子体中的电子碰撞反应和气相化学反应

5．2．5 Ar等离子体中壁面条件

5．3 等离子体动量和能量传递模拟对象

5．4 模拟结果和讨论

5．4．1 放电特性

5．4．2 气体宏观温度变化

5．4．3 气体压力变化

5．4．4 气体速度变化

5．4．5 气体密度变化

5．5 本章小结

第六章 利用汽化潜热的非平衡态等离子体能量转换机理

6．1 概述

6．2 非平衡态等离子体磁流体能量转换机理

6．2．1 非平衡态等离子体磁流体和流动凝结的耦合计算方法

6．2．2 张量电子迁移率

6．2．3 计算条件

6．3 利用汽化潜热的非平衡态等离子体霍尔磁流体发电单元理论模拟结果

6．3．1 等离子体磁流体与流动相互作用

6．3．2 不同ICP输入功率对磁流体过程的影响

6．3．3 不同磁感应强度对磁流体过程的影响

6．3．4 不同电离种子体积分数对磁流体过程的影响

6．3．5 不同蒸汽初参数对磁流体过程的影响

6．4 本章小结

第七章 非平衡态等离子体与流动相互作用初步实验

7．1 概述

7．1．1 非平衡态等离子体与流动

7．1．2 非平衡态等离子体测量方法

7．2 高气压N2介质阻挡放电(DBD)实验

7．2．1 实验设备

7．2．2 实验结果和理论分析

7．3 大尺度空气等离子体射流实验

7．3．1 实验设备

7．3．2 实验结果和理论分析

7．4 本章小结

第八章 全文总结与未来工作展望

8．1 全文总结

8．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间论文发表和完成情况

致谢