湿蒸气等离子体磁流体能量转换研究

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能源是人类社会发展的重要物质基础,当今社会资源的枯竭、环境的污染严重制约了社会经济发展。等离子体技术做为一种高效、低污染的高新技术受到人们的广泛关注。特别是利用流体中能量和等离子体中电子能量之间的相互转换作为基础,使得磁流体发电技术和磁流体推进技术得到了广泛应用。湿蒸气作为一种含有水蒸气的混合物质,其凝结放出的热量比较大,但是性质比较复杂。本文主要是以含有空气和氩气的混合气体做为介质的盘式磁流体推进—发电系统为基础所做的研究,并对湿蒸气等离子体反应机理进行了简单的探索,为后续湿蒸气的模拟计算提供前提和基础条件。  本文提出并研究了一种盘式磁流体推进-发电系统,该系统中主要包括盘式磁流体推进段、燃烧室、常规磁流体发电段、盘式磁流体发电段,在盘式磁流体推进段和盘式磁流体发电段采用直热式阴极直流放电法产生低温等离子体,从而实现中性气体的能量与等离子体中的电能的相互转换,并借助相应软件平台进行数值计算,主要目的是为后续实验提供基础参数。  本文依据所研究对象的基本物理过程,构建了相应的几何模型和数学模型,提出近似假设从而最终建立了直流低温等离子体模拟的基本模型。通过合适的数值模拟方法,对磁约束等离子体流动场基本特性进行了研究,主要包括磁场、流场及温度对耦合放电场的基本特性研究,为后续进行的盘式MHD推进和盘式MHD提供基础。  利用所建立的模型,就盘式MHD推进段的气流密度、气流温度、外加电势、磁场强度对等离子体场基本特性进行了研究和分析,并就等离子体电能-流体动能转换进行研究分析。分析可知:增加气流压强和电势对能量转换是不利的,而增加气流温度和磁场强度则有利于电能—动能的转换。  当盘式磁流体发电段湿蒸气出口温度大于相应压力下的饱和温度时,不考虑湿蒸气凝结反应,分别调整气流出口压强、气流入口温度、电势、磁场强度来对等离子体场特性进行研究和分析,并就中性气体和等离子体之间的能量转换进行了研究。此时的中性流体能量主要考虑了流体的动能和热能。  当湿蒸气出口温度小于相应压力下的饱和温度时,在磁流体发电段存在水蒸气凝结反应,主要是考虑了水分子凝聚过程和凝聚态分子团吸附电子过程,通过调整气流压强、入口温度、电势、磁场强度来对等离子体特性、湿蒸气凝结率、中性气体与等离子体之间的能量转换进行研究分析,并将湿蒸气凝结热计入中性流体能量中。  通过研究发现在MHD段无论是否存在湿蒸气凝结过程,提高气流温度、电势、磁场强度均有利于中性流体与等离子体之间的能量转换,而压强增大则不利于能量转换。湿蒸气凝结率与气流压强、电势、磁场强度成正比,而与气流温度成反比。
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