一種新型非平衡態(tài)等離子體熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及關(guān)鍵問題研究.pdf

1、面對日益嚴(yán)重的環(huán)境和能源問題，需要開發(fā)新型高效的熱電轉(zhuǎn)換方式。常規(guī)磁流體發(fā)電是一種高效、低污染的直接熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，但是因其熱電離機(jī)理導(dǎo)致工質(zhì)溫度過高，難以進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。近年來對非平衡態(tài)等離子體的深入研究，給常規(guī)磁流體發(fā)電技術(shù)帶來新的發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上深入研究其能量轉(zhuǎn)換機(jī)理，提高熱效率成為研究的重點(diǎn)。
　　針對常規(guī)磁流體發(fā)電技術(shù)的不足，本文提出一種新型的利用汽化潛熱的非平衡態(tài)等離子體磁流體熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的概念，并對其關(guān)鍵問題進(jìn)行理論

2、和實(shí)驗(yàn)研究。這一能量轉(zhuǎn)換是朗肯循環(huán)在應(yīng)用方面新的拓展，具有結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率高、熱能利用率高等突出優(yōu)勢。對于該課題的研究不但對于開發(fā)新型磁流體發(fā)電技術(shù)有實(shí)際意義，同時(shí)對于高超音速流動(dòng)控制、磁流體推動(dòng)、飛行器減阻以及壓水堆核電技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域有重要的科學(xué)、技術(shù)和實(shí)際意義。
　　該系統(tǒng)中，氣體在通道中膨脹凝結(jié)，形成分子團(tuán)簇，將一部分汽化潛熱轉(zhuǎn)化為氣體動(dòng)能，形成高速流動(dòng);采用電感耦合放電產(chǎn)生非平衡態(tài)等離子體;采用霍爾型磁流體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行

3、磁流體發(fā)電，將氣體的能量轉(zhuǎn)化為電能輸出。采用一維穩(wěn)態(tài)方程分析方法，分別對這種發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)熱效率、氣體膨脹凝結(jié)通道、ICP放電通道、磁流體發(fā)電通道進(jìn)行理論分析。指出在超超臨界參數(shù)條件下，理論上可以獲得約50％的循環(huán)熱效率。
　　傳統(tǒng)膨脹凝結(jié)模型對本文的凝結(jié)過程無法適用。本文采用分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函方法對該系統(tǒng)中氣體膨脹凝結(jié)過程進(jìn)行模擬。采用NPH系綜方法，對飽和氣體進(jìn)行定焓膨脹過程模擬。在此基礎(chǔ)上，采用分子動(dòng)力學(xué)方法和密度泛函方法

4、對不同尺寸的H2O分子團(tuán)簇進(jìn)行了系統(tǒng)研究。并且計(jì)算了團(tuán)簇的分子間總勢能變化。
　　基于該團(tuán)簇理論，本文提出了新型的氣體膨脹凝結(jié)模型。討論了凝結(jié)速率表達(dá)形式的選擇，并在不同工況中，應(yīng)用基于團(tuán)簇理論的氣體膨脹凝結(jié)模型計(jì)算結(jié)果和理想等熵過程計(jì)算出的結(jié)果相比較，證明該計(jì)算模型可以用于計(jì)算氣體膨脹凝結(jié)過程。
　　本文建立了非平衡態(tài)等離子體動(dòng)量和能量傳遞模型。該模型中，離子和中性粒子間的動(dòng)量和能量傳遞通過相互作用項(xiàng)描述，荷電粒子和亞穩(wěn)態(tài)

5、粒子用drift-diffusion近似來描述，中性氣體用Navier-Stokes方程描述。以Ar作為工作氣體，在假設(shè)條件下，討論了氣體流動(dòng)特性和氣體放電特性的關(guān)系。
　　基于以上兩個(gè)理論模型，建立這種磁流體熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的理論框架，并通過耦合高馬赫數(shù)流動(dòng)模型、氣體膨脹凝結(jié)模型、等離子體與磁流體過程模型的計(jì)算方法，對該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。驗(yàn)證了這種熱電能量轉(zhuǎn)換形式的可行性，并分析該系統(tǒng)的各種工作性能。同時(shí)指出ICP放電功率總