新型动力系统等离子体与燃烧特性研究

摘要

目前，我国面临着能源紧缺和环境恶化等诸多问题，作为解决这一状况的有效途径，先进能源动力系统的开发日益成为国内外学者的研究重点。
　　基于这一现状，本文提出了一种新型的等离子体—爆震发电系统，以数值模拟和理论分析为主要研究方式，对该系统的两个核心问题:高压下部分电离等离子体推进特性及爆震的二维模拟进行了重点讨论。本系统包括入口喷管段、等离子体推进段、爆震段和磁流体发电段，首先通过入口喷管段将工质输入等离子体发电段，通过离子—中性粒子的碰撞过程，实现电能—动能的转换;然后，在爆震段发生稳定爆震，实现燃料化学能的高效释放;最后，气体工质的动能、热能经由磁流体发电段导出进行发电。
　　本文对新型等离子体—爆震发电系统的工作原理进行了分析。针对高压下部分电离等离子推进特性问题，本文对等离子体推进段进行了建模，详细分析了其重要假设、物理模型、几何模型、等离子体反应体系、基本假设与数学模型、定解条件、阴极热发射电流等。具体研究内容如下所述:
　　(1)入口喷管段特性分析。对定压、非定压推进系统的收敛—扩张喷管进行了二维数值模拟，获得了良好的温度、压力、速度、密度等参数分布特性。
　　(2)定压等离子体推进段研究。建立了定压推进段变截面模型，进行了一维理论分析。对参考工况及多种变工况下的定压推进等离子体场特性进行了分析，获得了磁感应强度、工作气压、电子热发射流与定压推进等离子体场间的规律，清晰得揭示了定压推进在大范围工作点上的等离子体场特性。
　　(3)非定压等离子体推进段研究。建立了非定压推进段变截面模型，对参考工况及多种变工况下的推进特性进行了分析，获得了磁感应强度、工作气压、电子热发射流与非定压推进等离子体场、流动传热场之间的规律。同时，探究了出口气压变化对等离子体推进段的流动传热影响，得出了激波与非定压推进过程叠加的作用效果。最后，建立了全能量耦合的非定压等离子体推进段，并将其流动传热参数与非定压推进段进行了对比分析。详细清晰的揭示了非定压推进在大范围工作点上的等离子体场、流动传热场特性。
　　(4)爆震段建模与研究。首次将国际通用的甲烷—空气化学反应GRI Mesh机理有效的简化为一步包总反应，并在0维定容燃烧数值试验中，证明了该简化反应可靠。在此基础上，建立了爆震所需的收敛—扩张喷管模型，提出了爆震热源空间非均匀分布方案，并进行了出口处高温热源引爆、近出口处高能热源引爆两种爆震过程模拟，该模拟过程成功的解决了爆震过程的多维模拟问题，经与传统ZND模型对比，证明本二维模型的有效性与可靠性。
　　(5)磁流体发电段特性研究。对不同情况下的磁流体发电特性进行了分析，在兼顾发电量和出口压强的条件下，选取定马赫数发电为系统的最佳发电方式，分析了电导率及磁感应强度对定马赫数磁流体发电特性的影响，得出二者与发电通道长度间的规律。
　　(6)动力系统分析。计算了定压系统、非定压系统、全能量耦合的非定压系统的各部件参数及系统发电效率;通过分析变磁感应强度的非定压系统特性，得出系统磁感应强度与系统效率之间的规律。研究结果显示，在新型等离子体—爆震发电系统中，等离子体推进段具有高效性，当该系统与普通火力发电机组组成联合循环时，其具有高效发电的优势。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 先进能源动力系统

1．1．2 等离子体在能量转换领域的优势

1．2 等离子体推进技术研究现状

1．2．1 等离子体推进技术简介

1．2．2 霍尔推进器研究现状

1．2．3 部分电离等离子体推进技术探索研究

1．3 本课题研究内容

第二章 新型等离子体—爆震发电系统概念和模型

2．1 新型等离子体—爆震发电系统构想

2．2 工作原理

2．3 等离子体推进段的模型建立

2．3．1 重要假设

2．3．2 物理模型

2．3．3 几何模型

2．3．4 等离子体反应体系

2．3．5 基本假设与数学模型

2．3．6 定解条件

2．4 阴极热发射及阴极电流

2．5 本章小结

第三章 入口喷管段分析

3．1 物理模型与数学模型

3．2 定压系统的入口喷管段

3．2．1 几何模型

3．2．2 模拟结果

3．3 非定压系统的入口喷管段

3．3．1 几何模型

3．3．2 模拟结果

3．4 本章小结

第四章 定压等离子体推进段研究

4．1 定压推进段的一维分析

4．2 定压等离子体推进特性

4．3 定压等离子体变工况特性

4．3．1 磁感应强度对推进特性的影响

4．3．2 工作气压对推进特性的影响

4．3．3 电子热发射流对推进特性的影响

4．4 本章小结

第五章 非定压等离子体推进段研究

5．1 非定压等离子体推进特性

5．1．1 非定压等离子体推进模型

5．1．2 非定压推进段特性

5．2 变工况特性

5．2．1 变磁感应强度

5．2．2 变工作气压

5．2．3 变电子热发射流

5．3 出口压强对流动传热场影响的简析

5．3．1 参考工况下改变出口压强

5．3．2 不同推力下改变出口压强

5．4 全能量耦合非定压推进特性

5．5 本章小结

第六章 爆震段研究

6．1 爆震理论简介

6．2 一维爆震计算

6．3 二维爆震研究

6．3．1 二维爆震模型建模

6．3．2 模拟结果

6．4 本章小结

第七章 磁流体发电段研究

7．1 磁流体发电原理简介

7．2 不同条件下的磁流体发电研究

7．2．1 等温度

7．2．2 等压力

7．2．3 等速度

7．2．4 等马赫数

7．3 电导率及磁感应强度对发电段的影响研究

7．4 本章小结

第八章 动力系统分析

8．1 定压系统分析

8．2 非定压系统分析

8．2．1 非定压系统分析

8．2．2 变系统磁感应强度工况分析

8．3 全能量耦合的非定压系统分析

8．4 本章小结

第九章 全文总结与展望

9．1 全文总结

9．2 工作不足及工作展望

附录

参考文献

致谢

作者在校期间发表论文