高超声速飞行器尾喷管中磁流体发电机性能数值研究

高超声速飞行器因无涡轮而失去发电能力，利用尾喷管中磁流体（Magnetohydrodynamic,MHD）发电机进行发电可以有效解决这一问题。本文采用Fluent商业软件对高超声速飞行器尾喷管中MHD发电机的性能进行了数值研究。研究发现，当磁流体发电通道入口气体的马赫数设置为1.1时，入口气体的马赫数被迫降低至亚声速时，其才能流进通道，但气体的速度沿流向不断上升，并在发电通道出口处达到当地声速。局部磁场使MHD发电机两端出现了端部效应，导致MHD发电机的进出口附近产生了涡电流，进而降低了MHD发电机的性能。在端部效应和MHD射流效应的耦合下，发电通道流向横截面中心的气体总焓沿流向非均匀下降，在发电机入口电极处，其总焓略有增加并达到最大值；在发电机出口电极处，其总焓出现一极小值；横截面上气体总焓的平均值沿流向却均匀下降。不同电极对数的MHD发电机的数值结果表明，分段电极法拉第型MHD发电机的电极对数越多，MHD发电机内的霍尔效应越弱，焓提取率与发电效率越高。当6对电极的MHD发电机分别忽略和考虑霍尔效应时，其焓提取率相差了0.05%，发电效率相差了6.5%。     

脉冲磁流体发电技术研究进展

本文总结和阐述了现有脉冲磁流体发电机的类型及其国内外研究进展,同时对磁流体发电过程中的关键技术和科学问题(近电极压降、边界层分离、Hartmann效应、发电系统建模、性能分析、高磁雷诺数、强电磁效应、阻抗匹配等)进行了综述总结,以期掌握磁流体动力学行为及能量转化机理,提升发电机性能,并介绍了在航空航天领域的三种主要应用方式：磁流体能量旁路、超燃冲压发动机驱动的磁流体发电及表面磁流体发电。最后，对脉冲磁流体发电技术研究的发展趋势进行了总结和展望,旨在对其实用化进程提供指导和借鉴意义。     

基于电子束电离的高超声速磁流体发电机

为了获得高超声速低温来流条件下基于电子束电离的磁流体发电机性能,采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型和简化的电子束电离模型,对等截面分段法拉第型磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了电离能量花费、磁场强度对发电通道性能的影响,得出了不同电离花费下电离所形成的电子数密度和电导率.研究结果表明,电子束电离低温来流能够产生足够的电导率,当负载系数保持为0.5时,电效率基本保持在0.5 ～0.6之间,电效率大小受磁场强度影响不大,电离能量花费Pion(MW/m3)为0.06,0.6,6,30,300时的电导率σ(S/m)分别为0.28,0.9,3,7,27.当电离能量花费为30MW/m3,能量提取率达到26％,电效率为66％,发电机性能接近最佳,对应的磁场强度为10T.     

分段法拉第磁流体发电通道流动特性数值模拟

磁流体发电是解决以冲压发动机为动力的飞行器机载供电问题的有效途径。为了探究磁流体发电通道的内部流动情况和能量转化机理,针对分段法拉第型发电通道,结合实验设备设计参数,构建了低磁雷诺数条件下的磁流体五波模型,并运用二阶熵格式对其求解。通过分析四种不同情况,研究了分段法拉第型磁流体发电通道在不同实验条件下的流动特性。计算结果表明:磁作用数由0变为0.1时,通道出口处温度升高10.4%,出口速度降低27.7%,马赫数降低25%,磁作用数升高至1时,出口速度将降至临界声速,马赫数降为1,出口温度较基准态升高20.8%;通道能量转化率越高,通道内壁逆压梯度越大,流动在内壁上容易发生分离;负载系数为0.5时,通道出口速度相较于负载系数为0.8的情况,气流速度下降约11.7%,马赫数下降8%,通道将产生更多的焦耳热,能量转化率较高,但是电效率较低。通道在进行发电实验时,增大电磁作用强度,同时选择合适的外部负载,可以提高通道发电性能。     

高超声速等截面磁流体发电机性能研究

采用三维低磁雷诺数磁流体动力学五方程模型,对等截面管道法拉第型分段电极磁流体发电机内的流动进行数值模拟,研究了负载系数、磁场强度、电极-绝缘壁宽度比对发电通道性能的影响.结果表明:当负载系数为0.50时电功率密度达到最大,并且随着负载系数的增大发生器的减速能力降低;当磁场强度为8T时,500mm的管道长度即可将来流马赫数从6降低到3以下,温度保持在800K以下,并且每立方米的管道发电量能够达到兆瓦级的水平.      

超声速磁流体加速实验及一维模型分析

为了获得负载系数、电导率等参数变化对超声速磁流体加速效果的影响规律,利用激波风洞,采用氩气与碳酸钾作为工质,电容提供电能的方式,在磁感应强度为0.5T的条件下,进行了不同电容充电电压下的超声速磁流体加速实验研究,并对一维定常理想分段法拉第型磁流体加速模型进行了分析.通过实验获得了不同电容充电电压下#10电极间的电压、电流、负载系数、电导率及#20电极开路电压等数据,在300, 400V电容充电电压下,气流速度分别增加11.4%和24.0%,在500V电容充电电压下气流速度减小11.1%.实验及模型分析得出不同的负载系数会使超声速磁流体处于加速或减速的不同状态,而电导率会影响注入总能量的大小,使磁流体流动的速度梯度大小发生改变.      

磁流体发电高温燃气的产生与控制研究

为探索磁流体发电技术在高超声速飞行器上的应用,研制了基于燃气发生器的高温燃气实验系统。介绍了燃烧工质的选取、工况的选择以及实验系统的调试机理、运行情况。结果表明,采用航空煤油做燃料,气氧做氧化剂,混合比为1.2~12的条件下满足温度大于2600K的要求;煤油流量作为基准值,通过调节氧气路孔板流量计前压力能很好地调节燃气发生器的温度;通过调试确定了系统运行的时序,并进行了燃烧温度为3278.5K的点火实验。电导率的测试实验表明,在燃气温度2750K的情况下,燃气电导率的平均值达到10S/m,峰值15S/m,满足磁流体发电的技术要求。     

一种新型的双凸极起动/发电机的研究及实践

介绍一种可以适应于航空低压直流、变速恒频、高压直流电气系统的新型双凸极起动 /发电机系统 ,并对其电动及发电机理进行了理论研究 ,给出起动 /发电机的相应控制策略 ,在此基础上研制了 18k W样机并进行了原理试验研究 ,试验结果表明 :双凸极电机起动 /发电系统的方案具有结构简单、可靠及控制方便等优点 ,适合作航空用起动 /发电机     

超声速非平衡电离磁流体流动控制试验和数值模拟

为了开展磁流体(MHD)流动控制原理研究,建立了磁流体技术试验系统,采用电容耦合射频-直流组合放电对Ma=3.5气流进行电离,在磁场作用下产生顺/逆气流方向的洛伦兹力控制流场,采用试验段静压变化来监测磁流体流动控制效果,通过一维模型计算磁流体流动控制过程中流场变化情况,分析磁流体流动控制效果;通过添加电磁源项的Navier-Stokes方程耦合电势泊松方程建立了二维磁流体动力模型,对磁流体流动控制进行数值模拟研究。主要结论如下:在磁场约束下,电容耦合射频-直流组合放电能够在Ma=3.5流场中产生大体积均匀电流,电导率约0.015S/m;在焦耳热和洛伦兹力作用下,磁流体加速时静压升高了130Pa,减速时静压升高了200Pa;磁流体流动控制过程中,仅有不足10%的能量在磁流体通道内发生了作用;数值模拟结果显示,在试验条件下,加速时静压升高了128Pa,减速时静压升高了208Pa,与试验结果基本吻合。     

横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响

通过三维数值模拟研究了不同横截面形状的磁流体(MHD)发生器的热、电磁流动特性,发生器入口采用超声速来流条件,旨在应用于磁流体旁路超燃冲压发动机推进系统。数值模拟采用低磁雷诺数下磁流体五方程模型,通过熵条件格式和超松弛迭代(SOR)法联合算法分别求解Navier-Stokes方程组和电势方程。研究表明在电极壁面上电场、电流以及洛伦兹力等电磁场参数呈周期性变化,由于电极端点效应,电磁场参数在电极端点出现周期性的极值,而在管道中心电极端点效应对电流影响并不大,沿着流向电流保持连续变化。对不同管道横截面形状的发生器的数值模拟表明:由于涡电流和二次流效应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,二次流较弱;而形状参数较大的发生器焦耳热较小,二次流增强。因此,当形状参数α=0.8时可获得较好的焓提取率和电效率。     

超声速氩气流磁流体发电初步实验研究(英文)

利用激波风洞,采用氦气驱动氩气,在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入电离种子K2CO3粉末,实现高温条件下导电流体的产生,开展了超声速氩气流磁流体功率提取初步实验研究。在喷管入口总压0.32MPa、总温6504K,磁场强度约0.5T、喷管出口气流速度1959m/s的条件下,对分段磁流体功率提取通道电极的感应电压和短路电流进行了测量,实验测量结果与理论计算相吻合,并由电压电流计算得出了平均电导率约20S/m左右,在负载系数为0.5的情况下,磁流体功率提取通道最大的功率密度可达4.7971MW/m3,最大焓提取率为0.34%。最后分析并给出了气体状态参数T1,M1,T2,M2的测试原理与方法。     

基于激波风洞的超声速磁流体动力技术实验系统

开展磁流体(MHD)动力技术实验研究,实验系统必须满足两项基本的条件:一是超声速或高超声速气流;二是气流必须是导电流体.基于此,介绍了基于激波风洞的超声速磁流体动力技术实验系统的基本组成、设计思想和调试情况.设计了马赫数Ma=2的超声速喷管及实验段;采用氦气驱动氩气,在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入...     

Investigation of MHD power generation with supersonic non-equilibrium RF discharge

Magnetohydrodynamic (MHD) power generation with supersonic non-equilibrium plasma is demonstrated. Capacitively coupled radio frequency (RF) discharge (6 MHz, maximum continual power output of 200 W) was adopted to ionize the Mach number 3.5 (650 m/s), 0.023 kg/m3 airflow. In a MHD channel of 16 mm × 10 mm × 20 mm, MHD open voltage of 10 V is realized in the magnetic field of 1.25 T, and power of 0.12 mW is extracted steadily and con-tinuously in the magnetic field of 1 T. The reasons for limited power generation are proposed as:low conductivity of RF discharge; large touch resistance between MHD electrode and plasma;strong current eddies due to flow boundary layer. In addition, the cathode voltage fall is too low to have obvious effects on MHD power generation.     

某燃气发生器地面台架试车性能分析

针对某燃气发生器特点采用工艺喷口模拟动力涡轮流通能力,测取各截面参数,统计分析试验数据结果证明该型机性能达到设计要求。在地面台架试车阶段,对比调整压气机径向间隙、喷口面积变化对燃气发生器各性能参数的影响。为改进部件性能和燃气发生器与动力涡轮配套的整机试车提供试验数据。      

两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案对比

根据空气/煤油富油燃烧的特点,提出了两种空气/煤油燃气发生器富油燃烧组织方案,设计了采用钝体稳定火焰和旋流空气、二次喷注空气稳定火焰的两种燃气发生器.为了对比两种方案的点火和燃烧特性,对两种燃气发生器进行了一系列热试,结果表明余氧系数是燃气发生器最重要的工况参数.随着余氧系数的增加,燃气发生器的状态逐渐从启动失败变为中途熄火,最终呈正常启动状态.采用钝体稳定火焰的燃气发生器稳定工作的余氧系数边界为0.518,采用旋流空气和二次喷注空气稳定火焰可将该边界延伸到0.237,极大地扩大了燃气发生器的工作范围.与钝体稳定火焰的燃气发生器相比,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器的富油燃烧的燃烧效率提高了20%.两种方案结构复杂性相当,旋流空气和二次喷注空气稳定火焰的燃气发生器不需要冷却火焰稳定器,可提高燃气发生器的工作时间.      

用于航空高压直流电源系统的笼型异步发电机控制策略的研究

 现代电力电子技术的发展使得笼型异步发电机能够适用于航空高压直流系统中。着重对笼型异步电机与电力电子变换器结合构成的发电系统进行了研究,说明了采用直接转矩控制策略可使这种发电系统具有很好的动态特性。介绍了异步发电机直接转矩控制的原理与实现方法,并给出了仿真与实验结果。     

起动发电机在中国大型客机上的应用

变频交流（AC）发电机在三级式恒频交流同步发电机的基础上发展而来，其宽的变速工作范围给发电机系统带来了新的特点，而变频交流起动发电机又是在变频交流发电机基础上进一步发展的，其运行条件及工作特性更为复杂。首先介绍变频交流发电机的结构特点，并给出其设计关键点以及变频工作对发电系统的影响；进一步针对变频交流起动发电机新增的起动功能，重点分析起动工作时励磁机的两种工作方式，并给出建议的工作方式。通过分析现有变频交流起动发电机及其起动发电系统，指出进一步提高其功率密度和效率是完全可能且必要的，从而为其在中国未来大型客机上的应用和发展提供参考与建议。     

Wind Power System Using an Adaptive Sherbius Induction Machine

A wind turbine driven variable speed power generation system using a static Sherbius scheme in the generation mode is described. A control methodology to adapt the power output characteristics of double output induction generator to the output characteristics of the driving turbine is proposed. The control scheme has been implemented and experimental test results show that the induction machine can be made to adapt to the desired characteristics.