一种新型非平衡态等离子体热电转换系统及关键问题研究

扫码查看

原文链接

NETL

中文摘要：面对日益严重的环境和能源问题，需要开发新型高效的热电转换方式。常规磁流体发电是一种高效、低污染的直接热电转换技术，但是因其热电离机理导致工质温度过高，难以进行实际应用。近年来对非平衡态等离子体的深入研究，给常规磁流体发电技术带来新的发展方向。在此基础上深入研究其能量转换机理，提高热效率成为研究的重点。针对常规磁流体发电技术的不足，本文提出一种新型的利用汽化潜热的非平衡态等离子体磁流体热电转换系统的概念，并对其关键问题进行理论和实验研究。这一能量转换是朗肯循环在应用方面新的拓展，具有结构简单、发电效率高、热能利用率高等突出优势。对于该课题的研究不但对于开发新型磁流体发电技术有实际意义，同时对于高超音速流动控制、磁流体推动、飞行器减阻以及压水堆核电技术等相关领域有重要的科学、技术和实际意义。该系统中，气体在通道中膨胀凝结，形成分子团簇，将一部分汽化潜热转化为气体动能，形成高速流动;采用电感耦合放电产生非平衡态等离子体;采用霍尔型磁流体发电机结构进行磁流体发电，将气体的能量转化为电能输出。采用一维稳态方程分析方法，分别对这种发电系统的循环热效率、气体膨胀凝结通道、ICP放电通道、磁流体发电通道进行理论分析。指出在超超临界参数条件下，理论上可以获得约50％的循环热效率。传统膨胀凝结模型对本文的凝结过程无法适用。本文采用分子动力学和密度泛函方法对该系统中气体膨胀凝结过程进行模拟。采用NPH系综方法，对饱和气体进行定焓膨胀过程模拟。在此基础上，采用分子动力学方法和密度泛函方法对不同尺寸的H2O分子团簇进行了系统研究。并且计算了团簇的分子间总势能变化。基于该团簇理论，本文提出了新型的气体膨胀凝结模型。讨论了凝结速率表达形式的选择，并在不同工况中，应用基于团簇理论的气体膨胀凝结模型计算结果和理想等熵过程计算出的结果相比较，证明该计算模型可以用于计算气体膨胀凝结过程。本文建立了非平衡态等离子体动量和能量传递模型。该模型中，离子和中性粒子间的动量和能量传递通过相互作用项描述，荷电粒子和亚稳态粒子用drift-diffusion近似来描述，中性气体用Navier-Stokes方程描述。以Ar作为工作气体，在假设条件下，讨论了气体流动特性和气体放电特性的关系。基于以上两个理论模型，建立这种磁流体热电转换系统的理论框架，并通过耦合高马赫数流动模型、气体膨胀凝结模型、等离子体与磁流体过程模型的计算方法，对该能量转换系统进行数值模拟。验证了这种热电能量转换形式的可行性，并分析该系统的各种工作性能。同时指出ICP放电功率总是远远小于发电机输出功率，该发电系统展示出极好的热效率。最后，本文对非平衡态等离子体和流动相互作用进行了初步的实验研究。采用N2和空气作为工作气体，采用介质阻挡放电形式，采用光谱方法对等离子体中的参数进行了实验研究，为非平衡态等离子体磁流体应用进行了初步的实验探索。

作者：

李森

展开 >

关键词：

磁流体发电非平衡态等离子体热电转换系统数值模拟

授予学位：

博士

学科专业：

动力工程及工程热物理

导师：

顾璠

学位年度：

2015

学位授予单位：

东南大学

语种：

中文

中图分类号：