非平衡態(tài)等離子體與氣體流動研究及數(shù)值模擬.pdf

1、磁流體發(fā)電作為一種高效、低污染的新型發(fā)電方式一直都是世界研究的熱點，但是常規(guī)磁流體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中還有一些關鍵技術問題并沒有很好的解決。東南大學提出一種新型的磁流體技術，該磁流體是通過在高速爆轟氣流中加入由外部非平衡強電場作用下生成的非平衡等離子體的方法而形成的。為了找到一個適合于磁流體發(fā)電技術且易于利用的非平衡態(tài)等離子體燃燒波，從理論上研究磁流體的能量轉換過程具有重大的實際意義。本文圍繞非平衡態(tài)等離子體在氣體流動過程中的能量轉換，利

2、用數(shù)值模擬方法，建立非平衡態(tài)等離子體與氣體流動相對完備的分析模型，為進一步研究非平衡等離子體磁流體特性提供理論基礎和發(fā)展方向。
　　第一章為緒論部分。提出靠熱電離產(chǎn)生的高溫磁流體一直制約著常規(guī)磁流體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術的發(fā)展。而在熱力學平衡條件下傳統(tǒng)磁流體發(fā)電存在的問題幾乎是不可避免的，因此需要在非平衡條件下尋求問題的解決辦法。
　　第二章通過磁流體動力學理論和離子-中性粒子的輸運分析提出了雙流體模型的基本方程，并指出進行下一步

3、研究的關鍵在于動量、能量轉換項的形式，即采用何種碰撞模型。由于大氣壓下的離子-中性氣體流動的特殊性，對研究平臺進行了選擇，基于Fluent軟件進行了用戶自定義開發(fā)。
　　第三章介紹了Maxwellian碰撞模型和bi-Maxwellian碰撞模型，并分別利用這兩種碰撞模型對大氣壓下的離子-中性粒子的運動過程進行了數(shù)值模擬。數(shù)值結果表明：無論采用何種碰撞模型，流場變量在入口附近都存在明顯的突變現(xiàn)象，即非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過渡現(xiàn)象。為了

4、進一步研究碰撞模型的優(yōu)越性，對這兩種碰撞模型的數(shù)值結果進行了對比，發(fā)現(xiàn)bi-Maxwellian碰撞模型更精確。
　　第四章基于bi-Maxwellian碰撞模型，對第三章出現(xiàn)的非平衡態(tài)到平衡態(tài)的過渡現(xiàn)象進行了說明和研究，并將這一過渡現(xiàn)象稱為弛豫現(xiàn)象。分析了電場強度E、離子入口數(shù)密度niw、離子入口速度viw以及中性氣體入口速度vaw這4個參數(shù)對弛豫現(xiàn)象的影響。通過數(shù)據(jù)分析得到如下結論：
　　當電場強度、離子入口速度、離子入

5、口數(shù)密度越大，中性氣體入口速度越小時，離子能從電場中獲取更多的能量，并且將更多的能量傳遞給中性氣體，此時非平衡區(qū)的急劇變化現(xiàn)象越明顯，各個參數(shù)的梯度也越大，并且需要更長的空間距離來達到平衡。
　　為了進一步簡化參數(shù)選擇對弛豫現(xiàn)象的影響，定義了弛豫厚度，弛豫厚度指非平衡態(tài)逐漸恢復到平衡態(tài)所經(jīng)歷的空間距離。通過分析電場強度、離子入口速度、離子入口數(shù)密度和中性氣體入口速度對弛豫厚度的影響，發(fā)現(xiàn)弛豫厚度不僅與離子相蘊含或是獲取能量的能力有

6、關，還與兩相之間的動量差有關。
　　第五章研究了通道特性對磁流體能量轉換過程的影響?；赽i-Maxwellian碰撞模型將原有通道縮小10倍。對大、小通道中的流動過程進行數(shù)值模擬，并將兩種通道下的數(shù)值結果進行對比和分析。根據(jù)數(shù)值結果可知：當通道縮小時，壁面影響在流動中所占的比例會越來越大，甚至會影響到通道中心區(qū)域的參數(shù)變化趨勢。
　　第六章將原本單一的中性氣體換成甲烷-空氣混合物，采用非穩(wěn)態(tài)的計算方法，讓離子入口速度、離子