气体凝结等离子体动能-电能转换研究

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目前,能源短缺和环境恶化等诸多问题对我国经济发展束缚越来越突出,环境压力也与日俱增,为此研究新型高效、低污染的发电方式日益成为国内外学者的研究热点。  本文提出了一种基于荷电团簇迁移引起的动能—电能转换方法,利用收缩—扩张喷管以及电晕放电产生带有负电荷团簇的高速运动的湿蒸汽,并利用其本身产生的自洽电场实现湿蒸汽等离子体的动能—电能转换,是先进能源的一次探索性研究。在研究荷电团簇引起的动能—电能转换过程中,通过实验和数值模拟两种方式,研究了湿蒸汽等离子体的荷电特性及其动能转换—电能特性。  在实验研究方面,从负电晕放电和DBD负电晕放电两个角度,研究了湿蒸汽等离子体的荷电电流特性以及输入功率、体积流量以及喷管与铁丝网间距离对荷电电流的影响,并简要研究了湿蒸汽等离子体转换的能量大小及其放电的光谱特性。研究发现,流量增加使得喷管出口放电现象更加明显。在负电晕放电下,流量、输入功率的增加,喷管与铁丝网距离的降低均使得荷电电流增加,在DBD负电晕放电下,输入功率的增加,流量,距离的减小有利于荷电电流增加。并且在相同工况下,负电晕放电的荷电电流高于DBD负电晕放电的荷电电流。在能量转换产生的电能中,其功率可以达到0.01W。光谱分析发现,流量增加,相对强度增加。  在理论和数值模拟方面,本文首先进行了负电荷团簇等离子体特性模拟,依据所研究对象的基本物理过程及模型进行了建模,并就前期辉光放电和反常辉光放电两种情况展开,研究了负电荷团簇稳定时的各粒子数密度的分布以及温度、压力、团簇所包含原子数N的变化对等离子体荷电特性的影响。研究发现,前期辉光放电下荷电率、电离率均低于反常辉光放电时的情况。在前期辉光放电阶段,负电荷团簇和氩离子占大多数,电子数量很少,并且气压的升高、温度的降低使得荷电率增加,团簇所包含原子数的变化对荷电率影响不大。在反常辉光放电阶段,氩离子以及负电荷团簇数密度在数量级上高于或者等于负电荷团簇,温度的降低使得荷电率减低,气压的升高使得负电荷团簇数密度变化更加平缓,团簇所包含原子数N的变化对荷电特性影响较小。  最后,本文模拟了负电荷团簇、氩原子两种粒子的混合气体的能量转换特性研究,得到了具有初始速度的含有负电荷团簇的混合气体在稳定状态时的特性。研究发现,温度的降低、压力的升高以及入口处负电荷团簇数密度的增加均可以使得负电荷团簇等离子体的电势以及出口表面电流密度的增加。
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