【摘要】：目前,我國面臨著能源緊缺和環(huán)境惡化等諸多問題,作為解決這一狀況的有效途徑,先進(jìn)能源動力系統(tǒng)的開發(fā)日益成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)�；谶@一現(xiàn)狀,本文提出了一種新型的等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng),以數(shù)值模擬和理論分析為主要研究方式,對該系統(tǒng)的兩個核心問題：高壓下部分電離等離子體推進(jìn)特性及爆震的二維模擬進(jìn)行了重點(diǎn)討論。本系統(tǒng)包括入口噴管段、等離子體推進(jìn)段、爆震段和磁流體發(fā)電段,首先通過入口噴管段將工質(zhì)輸入等離子體發(fā)電段,通過離子—中性粒子的碰撞過程,實(shí)現(xiàn)電能—動能的轉(zhuǎn)換；然后,在爆震段發(fā)生穩(wěn)定爆震,實(shí)現(xiàn)燃料化學(xué)能的高效釋放；最后,氣體工質(zhì)的動能、熱能經(jīng)由磁流體發(fā)電段導(dǎo)出進(jìn)行發(fā)電。本文對新型等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析。針對高壓下部分電離等離子推進(jìn)特性問題,本文對等離子體推進(jìn)段進(jìn)行了建模,詳細(xì)分析了其重要假設(shè)、物理模型、幾何模型、等離子體反應(yīng)體系、基本假設(shè)與數(shù)學(xué)模型、定解條件、陰極熱發(fā)射電流等。具體研究內(nèi)容如下所述：(1)入口噴管段特性分析。對定壓、非定壓推進(jìn)系統(tǒng)的收斂—擴(kuò)張噴管進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,獲得了良好的溫度、壓力、速度、密度等參數(shù)分布特性。(2)定壓等離子體推進(jìn)段研究。建立了定壓推進(jìn)段變截面模型,進(jìn)行了一維理論分析。對參考工況及多種變工況下的定壓推進(jìn)等離子體場特性進(jìn)行了分析,獲得了磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與定壓推進(jìn)等離子體場間的規(guī)律,清晰得揭示了定壓推進(jìn)在大范圍工作點(diǎn)上的等離子體場特性。(3)非定壓等離子體推進(jìn)段研究。建立了非定壓推進(jìn)段變截面模型,對參考工況及多種變工況下的推進(jìn)特性進(jìn)行了分析,獲得了磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作氣壓、電子熱發(fā)射流與非定壓推進(jìn)等離子體場、流動傳熱場之間的規(guī)律。同時,探究了出口氣壓變化對等離子體推進(jìn)段的流動傳熱影響,得出了激波與非定壓推進(jìn)過程疊加的作用效果。最后,建立了全能量耦合的非定壓等離子體推進(jìn)段,并將其流動傳熱參數(shù)與非定壓推進(jìn)段進(jìn)行了對比分析。詳細(xì)清晰的揭示了非定壓推進(jìn)在大范圍工作點(diǎn)上的等離子體場、流動傳熱場特性。(4)爆震段建模與研究。首次將國際通用的甲烷—空氣化學(xué)反應(yīng)GRI Mesh機(jī)理有效的簡化為一步包總反應(yīng),并在0維定容燃燒數(shù)值試驗(yàn)中,證明了該簡化反應(yīng)可靠。在此基礎(chǔ)上,建立了爆震所需的收斂—擴(kuò)張噴管模型,提出了爆震熱源空間非均勻分布方案,并進(jìn)行了出口處高溫?zé)嵩匆�、近出口處高能熱源引爆兩種爆震過程模擬,該模擬過程成功的解決了爆震過程的多維模擬問題,經(jīng)與傳統(tǒng)ZND模型對比,證明本二維模型的有效性與可靠性。(5)磁流體發(fā)電段特性研究。對不同情況下的磁流體發(fā)電特性進(jìn)行了分析,在兼顧發(fā)電量和出口壓強(qiáng)的條件下,選取定馬赫數(shù)發(fā)電為系統(tǒng)的最佳發(fā)電方式,分析了電導(dǎo)率及磁感應(yīng)強(qiáng)度對定馬赫數(shù)磁流體發(fā)電特性的影響,得出二者與發(fā)電通道長度間的規(guī)律。(6)動力系統(tǒng)分析。計算了定壓系統(tǒng)、非定壓系統(tǒng)、全能量耦合的非定壓系統(tǒng)的各部件參數(shù)及系統(tǒng)發(fā)電效率；通過分析變磁感應(yīng)強(qiáng)度的非定壓系統(tǒng)特性,得出系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與系統(tǒng)效率之間的規(guī)律。研究結(jié)果顯示,在新型等離子體—爆震發(fā)電系統(tǒng)中,等離子體推進(jìn)段具有高效性,當(dāng)該系統(tǒng)與普通火力發(fā)電機(jī)組組成聯(lián)合循環(huán)時,其具有高效發(fā)電的優(yōu)勢。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM61

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本文編號：2424693