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.     

磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究

磁场强度及位形对霍尔推力器放电过程有显著影响。根据霍尔推力器通道尺寸和等离子体放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法,研究了不同磁场强度及位形等离子体放电特性,讨论了推力、推功比及放电电流的变化规律。模拟表明:当中轴线磁场强度峰值小于200G时,磁场对电子轴向传导约束减弱;当磁场强度峰值在200G～420G时,电子温度、电离率及电子与壁面碰撞频率降低,出口处离子径向速度增大,壁面腐蚀增加;当磁场强度峰值为280G时,加速区最短,放电电流最小。不同零磁点磁场位形会改变通道电离区和加速区位置,影响推力器放电性能。     

表面磁流体气动激励控制楔面激波规律数值研究

针对表面磁流体(MHD)气动激励对高超声速进气道在非设计状态下激波控制问题,从唯象学的角度出发,基于低磁雷诺数假设,将电磁作用简化为Navier-Stokes方程组中的源项处理,同时考虑到低气压、低磁场环境下电子回旋效应引起的Hall效应,并联立Ohm定律,建立磁流体动力学模型,通过与实验纹影对比验证了模型的合理性,并利用该模型研究了表面MHD加/减速激励作用位置与宽度、磁场强度、电导率和能量转化率等参数对楔面激波的影响规律。结果表明:表面MHD气动激励包括焦耳热与洛伦兹力作用,当放电功率密度为3.8×10~9k W/m~3,磁场强度为0.34T时,MHD加/减速激励分别使激波位置前移6mm与10mm;而磁场强度较低时,由于焦耳热的主导作用,将会出现激波前后压力比增大,激波强度增加等负面效应;根据激励参数的影响规律,激励器电极应靠近尖端布置,增大磁场强度,并改善等离子体源以提高气体电导率,同时适当增大激励区域宽度。     

FeCoVSiB非晶合金磁性能的研究

研究了Fe78Co5V2 Si6 B9非晶合金有效磁导率 μ′、损耗P随频率、磁场强度的变化 ;根据材料使用温度的不同 ,同时研究了在 0 .6 4A m磁场下 ,磁导率随温度的变化。研究表明 ,磁场强度一定时 ,Fe78Co5V2Si6 B9非晶合金的有效磁导率随频率增加而降低 ;频率一定时 ,有效磁导率随磁场强度的增加而增加 ;铁芯损耗均随频率、磁场强度的增加而增加 ;非晶态合金Fe78Co5V2 Si6 B9经不同温度、不同保温时间热处理后 ,磁导率随使用温度的变化 ,自室温始先略有增大 ,而后 ,随温度升高而降低     

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。     

轴流压缩系统中主动抑制旋转失速的数值模拟

提出一个可用于分析轴流压缩系统通过附加扰动主动抑制旋转失速的理论模型,利用该模型讨论了系统参数对抑制效果的影响及旋转失速和喘振之间的关系.结果表明该方法的抑制效果随着B参数及压气机级数、级负载的增加而降低;同一压缩系统发生一维喘振的工作点轴向速度系数由B参数及压气机轴对称特性共同决定,与特性线斜率无关;并且只有当喘振由旋转失速引起时,才可以通过抑制旋转失速来防止喘振的发生.      

巨磁致伸缩材料作动器及其谐振频率研究

 快速倾斜镜（FSM）是自适应光学系统中提高系统传输精度的关键器件。针对快速倾斜镜的应用背景,采用巨磁致伸缩材料作为驱动组元,研制适用于新型快速倾斜镜的巨磁致伸缩材料作动器,并对作动器的输出位移、输出力及振动模态进行了研究。采用超高温度梯度区熔定向凝固法制备了具有〈112〉轴向择优取向的TbDyFe巨磁致伸缩合金,其10MPa预压力时平行于外磁场方向的饱和磁致伸缩性能达到0.175%,线性段磁致伸缩性能超过0.12%。所研制的巨磁致伸缩材料作动器的准静态位移超过±40μm,输出力达到1 000N以上,并且具有良好的动态响应。巨磁致伸缩材料作动器在1kg负载时的一阶共振频率达到97Hz。这为新型快速倾斜镜系统的研制建立了良好的基础。     

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.      

玻璃钢-不锈钢衬里复合管道应力变形数值模拟

主要就内径为200mm玻璃钢-薄壁不锈钢衬里复合管道在工作载荷和过载条件下的应力变形情况进行了数值模拟。数值模拟的结果表明：在设计工作压力下管道是安全的，并且应力、应变和径向位移在玻璃钢壳层和不锈钢衬里的界面处是连续分布的，这保证了载荷在界面处的连续传递；当管道内部压力达到设计工作戢荷的2．2倍时，不锈钢衬里几乎达到全面屈服，但玻璃钢壳层中的应力还远远小于其断裂极限，管道仍然具有进一步承载能力；进一步加大载荷至7．4倍的设计压力，玻璃钢壳层达到断裂极限，管道破坏。计算结果与实验结果吻合良好，说明这种复合管道具有较高的承受过载的能力，管道的设计具有较大的安全系数。当内径200mm长度达6m充满水的复合管道在距端部1m处支撑时，管道的最大挠曲产生在管道的中部．最大挠度为0．3mm．这与实验结果也是一致的。     

基于惯性/里程计组合导航的管道定位仿真分析

管道在油气传输中有着非常重要的地位,关乎着生命与财产安全,定期对传输管道进行检测能使管道安全、高效地运行.对管道损伤点进行精确定位,是修复管道缺陷所必需的.本文仿真了检测设备在管道中的运行轨迹,并加入了检测设备在管道中滚转运动和长时间导航下陀螺刻度系数漂移的影响,搭建了基于惯性/里程计组合导航的仿真模型.通过实际仿真发现,利用磁标点校正、卡尔曼滤波、磁标二点间误差修正和起点与终点误差修正,能有效提高管道中定位精度.     

法拉第型磁流体发电机试验和数值仿真

针对未来航空航天任务对大功率空间电源的迫切需求，开展了国内首次高温惰性气体法拉第型磁流体发电机试验研究。试验采用电弧加热器作为模拟热源，以氩气作为工质，添加铯作为电离种子以提高工质电导率，成功实现了对法拉第型磁流体发电机的原理性验证，在1 T磁场环境的试验条件下取得了最高194 W的发电功率，功率密度为866 kW/m³。根据试验条件对发电过程进行了三维数值模拟，分析结果表明：发电机输出性能受电极压降和工质速度的影响较大，需要在后续研究中改进发电机工艺以降低电极压降，并对加速喷管重新进行设计。     

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。     

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.     

磁流体能量旁路超燃冲压发动机的混合 和燃烧性能数值研究

为了研究磁流体能量旁路超燃冲压发动机(AJAX)的混合燃烧性能,采用三维数值方法,分别对磁流体发电器作用区和化学反应区进行模拟.在其他条件不变的情况下,改变磁场强度和载荷因子从而改变燃烧室的入口条件,得到不同磁流体条件下的混合效率和燃烧效率.计算结果显示:随着磁场强度的增加和载荷因子的减小,混合效率都提高了,最多提高了11.4%,在热离解不明显的燃烧室前半段,燃烧效率也都有所提高;在燃烧室后半段,不出现热离解时燃烧效率最多提高6.5%,此时磁流体装置的引入可使燃烧室长度缩短25%,可降低飞行器的几何尺寸,减轻飞行器质量;出现热离解时,燃烧效率会有所降低甚至低于无磁流体作用时的情况,因此应尽量避免磁场强度过大或载荷因子过小引起燃烧室入口静温过高造成热离解降低燃烧效率.      

三维磁流体动力学管道流动加减速控制数值研究

阐述了磁流体动力学(MHD)控制流场作用机理.在小磁雷诺数条件下,运用数值模拟方法,对不同外加电磁场条件下三维MHD管道流动的流场情况进行研究,得出不同磁场、电场等MHD参数作用下MHD加速器的性能.对MHD加速器的应用前景进行了展望.计算结果显示,电场取6000V/m,磁场为0.92T 情况下,流场的加速性能可达13.46%,并且可以通过减小磁场或增大电场进一步提高加速性能;在仅添加0.92T磁场条件下,速度减速可达16.35%.     

三维磁流体强化超燃冲压发动机数值模拟

建立了三维磁流体强化超燃冲压发动机内部黏性流场的求解模型.针对马赫数为6设计了联合应用磁控进气道和磁流体能量旁路的磁流体强化超燃冲压发动机模型.针对该模型进行了数值模拟研究,分析其中的三维流场结构、电参数分布规律以及能量转换特性.结果表明:当飞行马赫数为8时,磁控进气道的应用能够使头部压缩激波回到唇口,使分离区消失,内进气道中的流动恢复到设计状态.磁流体能量旁路可有效降低燃烧室入口处的马赫数,从而改善发动机性能.其中发生器中的流动参数和电参数的分布比较理想,效果显著;而加速器要取得显著的加速效果则需要大量的能量输入.在加速器中,电极附近焦耳耗散严重,导致局部高温以及流动的复杂性,性能不够理想.      

超燃冲压发动机磁控进气道设计影响因素分析

阐述了磁控进气道的基本原理,建立了一维数学模型。对磁控进气道设计影响因素磁感应强度、负载系数和通道截面积变化率进行了特性分析,得到磁控进气道出口参数随设计参数的变化规律,为磁控进气道设计提供了依据。给出了一组磁控进气道设计参数,仿真结果表明采用磁控进气道技术可以有效地调节燃烧室进口来流状态,提高比冲,拓宽飞行马赫数范围。      

Emerging Parameter Space Map of Magnetic Reconnection in Collisional and Kinetic Regimes

In large-scale systems of interest to solar physics, there is growing evidence that magnetic reconnection involves the formation of extended current sheets which are unstable to plasmoids (secondary magnetic islands). Recent results suggest that plasmoids may play a critical role in the evolution of reconnection, and have raised fundamental questions regarding the applicability of resistive MHD to various regimes. In collisional plasmas, where the thickness of all resistive layers remain larger than the ion gyroradius, simulations results indicate that plasmoids permit reconnection to proceed much faster than the slow Sweet-Parker scaling. However, it appears these rates are still a factor of ～10× slower than observed in kinetic regimes, where the diffusion region current sheet falls below the ion gyroradius and additional physics beyond MHD becomes crucially important. Over a broad range of interesting parameters, the formation of plasmoids may naturally induce a transition into these kinetic regimes. New insights into this scenario have emerged in recent years based on a combination of linear theory, fluid simulations and fully kinetic simulations which retain a Fokker-Planck collision operator to allow a rigorous treatment of Coulomb collisions as the reconnection electric field exceeds the runaway limit. Here, we present some new results from this approach for guide field reconnection. Based upon these results, a parameter space map is constructed that summarizes the present understanding of how reconnection proceeds in various regimes.     

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。