气体流动对非平衡态等离子体影响机理研究

摘要

传统磁流体发电是将热能直接转换成电能的新型发电形式，与传统的以燃烧化石燃料为主的火力发电生产相比，磁流体发电具有效率高、污染小的特点。然而，传统磁流体发电仍面临高温材料、超导磁体的制作、排渣等问题，另外，采用联合循环发电的传统磁流体发电效率最高可达50％～60％，而单纯的磁流体发电效率可以达到90%以上。导致传统磁流体发电效率较低的根本原因是传统磁流体发电的排烟温度太高，因为传统磁流体发电所使用的磁流体为平衡态等离子体，而在平衡态条件下，如果要提高等离子体的电导率只能通过提高等离子体的平衡温度来实现，大部分的能量耗费在加热电离过程中起作用不大的重粒子上。
　　东南大学提出了通过非平衡外部电离的方式提高流体的导电率实现磁流体发电，本文针对非平衡态等离子体磁流体发电的概念，研究了气体流动对非平衡态等离子体磁流体特性的影响，为今后的研究提供可靠的实验依据。
　　第一章为绪论部分。首先，指出靠热电离产生的高温磁流体一直制约着传统磁流体发电技术的发展，而在热力学平衡条件下传统磁流体发电存在的问题几乎是不可避免的，因此需要在非平衡条件下寻找问题的解决方法；然后综述了国内外气体流动对非平衡态等离子体影响的相关文献，为本课题的研究提供思路。
　　第二章介绍了气体流动对单级放电非平衡态等离子体影响试验，并简单介绍了一下等离子体参数的测量方法。
　　第三章为气体流动对单级放电等离子体影响试验结果与分析部分。主要研究气体的流动对非平衡态等离子体放电的影响，包括，等离子放电外观、等离子体多通道放电现象，等离子体电子密度和温度等磁流体特性。研究发现，气体流量增加会使等离子体放电从单通道向多通道转变，在电压250V，流量20m3/h工况下，等离子体在一个放电周期内的多通道放电比例占60%；气体流量的增大会使等离子体放电亮度和长度增加，其中在流黄为4m3/h时，等离子体沿气体流动方向的延展长度最长；气体流量的增加会使等离子体电子温度和密度减小，但在等离子体放电主流区电子密度和电子温度都维持在较高水平，电子温度为2.5～3.5eV，电子密度最大可达3.4813×1014cm-3，但放电所形成的等离子体宏观温度很低，低于人体温度，所形成的等离子体具有很好的非平衡特性，具有较高的电子浓度，最后研究了所形成的等离子体在沿气体流动放电电子温度和电子密度的变化情况，研究发现，等离子体电子温度的最大值在距放电初始位置的10～15mm处，电子密度则是距初始放电位置越远越小。
　　第四章为二级电离产生非平衡态等离子体试验研究部分。主要研究了在各种气体流动状态下，第一级放电装置对第二级放电的影响，以及一、二级共同放电所形成的等离子体的相关磁流体特性，包括等离子放电外观、等离子体电子密度和温度等磁流体特性。研究发现，第一级放电所形成的等离子体会为第二级放电提供初始电子，在流量为5m3/h以下时，第二级放电较无第一放电时均匀剧烈，本部分重点研究了等离子体在沿气体流动放电电子温度和电子密度的变化情况，研究发现等离子体电子温度和电子密度基本在距第一级初始位置放电7mm处达到最大值，即在两电极的中间的位置，电子温度最大可以达到4.47eV，电子密度最大可以达到3.6325×1014cm-3，实现了提升电子温度和电子密度的目的，另外，一、二级同时放电所形成的放电尺度比单独一级的放电尺度要大，为磁流体发电的大规模应用提供途径。