磁流体加速的机理研究和实验系统设计

【摘要】 磁流体（MHD）技术是一项综合了经典流体力学和电动力学的新型技术。其中在航空航天领域研究最为广泛的是利用等离子体在电磁场共同作用下进行主动流动控制。导电的流体在磁场的作用下可以用来发电或者加速气流，然而在飞行或地面试验过程中，流动、强磁场条件下大体积均匀等离子体的产生、MHD和流场耦合作用的影响是一个值得关注的问题。因此在面向推进系统应用的MHD系统存在着诸多关键技术。针对以上提出的重大基础问题，本文在黎明发动机厂的“×××”项目的资助下，开展了磁流体加速关键技术的相关研究，进行了MHD通道流场特殊性的研究，开展了流动、强电磁场环境下的大气压放电机理实验研究，设计搭建了应用于涡轮发动机的MHD加速地面试验系统，使项目得到了理论技术层面的支持。本文主要研究内容和结论如下：1)以涡轮发动机为应用对象，开展了MHD系统的参数设计MHD通道工作过程中存在一个临界电场Ecr使得通道内的气流可以平稳穿过马赫1，而不引起壅塞，而大于这个临界电场时通道内的气流会稳定在某一个超声速的流动状态，当小于这个临界电场时通道内气流会出现壅塞现象；不同的负载匹配使MHD通道运行在三种工作模式下，然而这三种工作模式间转换的条件路径是不可逆的；通过对MHD通道超声速流场下的二维数值模拟发现了不同反压下的流场特征，了解到MHD通道具有一定的抗反压能力。通过建立MHD的数学模型，分析了解了MHD通道工作的特殊性，为MHD通道中的电磁场参数选择提供了理论依据，为MHD加速系统的设计奠定了基础。2) MHD系统中关键技术的机理研究设计了多种等离子体产生方案并进行对比验证实验，分析了大气压条件下纳秒脉冲放电的放电特征及纳秒脉冲电源参数的选择。找到了适合MHD加速试验系统所需的等离子体发生方案。同时进行了磁场、流动、纳秒脉冲电源参数对放电的影响等机理性验证试验。指出流动使得击穿电压升高的同时也使其放电变得均匀，磁场的存在可以使放电增强并可以使放电向均匀放电发展，由于实验过程中电源的脉冲辐射很强，对电子元件的影响很严重，得到的实验效果不是很理想，在后续研究过程中有待完善。但是为地面MHD加速实验系统提供了设计准则。3) MHD加速地面试验系统的设计与实现针对以上模拟及机理实验研究，对MHD地面加速系统进行了设计。MHD加速地面试验系统大体分为燃气发生器和试验段两部分，对燃气发生器设计了两套方案，最终选定了采用基于涡轮发动机点火器进行点火的燃气发生器方案，配合掺混段、分流器、喷管使气流达到出口气流参数要求。同时也进行了试验段内等离子体发生装置的多方案设计及电磁场激励系统的设计，选用电磁铁作为匀强磁场源，试验段中采用加速、电离同时进行的方案。等离子体特性的诊断主要依靠传统的伏安法或利用TDLAS光学诊断系统。并在不能很好得到理想等离子体效果的情况下给出了改进方案。 

第1章   绪论

1.1   课题的研究背景及意义

1.1.1   推进系统中流动控制的需求

高超声速飞行器具有高速度、突防成功率高等优点，具有很大的军事价值是军用航空器的战略发展方向，将会为航空史带来新的变革。作为动力系统的冲压发动机成为实现高超声速飞行的重要核心技术，是世界各国重点发展研究的领域之一。 冲压发动机启动加速段很长，因此发动机必然长时间工作在非设计点上，这导致进气道、燃烧室、尾喷管的参数协调极其困难，可能出现进气道亚音速溢流、燃烧模态不佳以及尾喷管膨胀过度或不足，来流流量和加热量往往不是供不应求就是供大于求。由于进气道和燃烧室之间工作特性不能相匹配，使得发动机的性能急剧下降。随着来流马赫数的进一步提高，冲压发动机的工作范围越来越宽，进气道、燃烧室和尾喷管之间的参数协调问题愈加明显。需要探寻新的技术和方法来解决进气道与燃烧室之间的强耦合问题，并同时使得发动机能够在更宽的马赫数内飞行。对于航空发动机，应对新一代作战飞机具有短距起降、超音速巡航、大作战半径、更强的生存能力、灵活的战场适应性、高可靠性、低全寿命期费用等的需求。因此必须提高吸气式发动机压缩部件的增压比、安全裕度、工作效率。

非工况飞行（比如起飞、着陆、大机动飞行等）是航空推进系统不得不面对的一个重要问题，会对推进系统造成直接的影响。例如冲压发动机进气道的激波系统偏离唇口，造成进气道捕获空气性能下降；当飞行器飞行攻角较大时，进气道出口的总压的严重畸变会使得压缩系统不稳定工作（例如压缩系统的旋转失速、喘振、效率急剧降低等现象）；航空发动机压气机的负荷不断增加，压气机叶片存在流动分离，导致压气机性能下降。

1.2   基于等离子磁流体（MHD）加速技术在推进系统中的应用

1.2.1   基于等离子磁流体（MHD）加速原理

磁流体加速通道中电离的高温气流与电、磁场相互作用，在洛仑兹力（j×B）作用下实现加速过程。磁流体加速通道的工作依赖于电磁场布置和空气电离水平，基本不受发动机其他部件的影响，可以在现有的设计参数和材料应用水平下，实现能量的进一步转化以获取发动机的推力增益。从技术实现角度，在燃烧室中添加碱金属元素可以提高燃气的初始电离水平，并采用大气压非平衡电离技术可以满足壁面附近的气流电离水平。由于电能和动能属于同一品质的能量，电离的气体在通道中实现电能→动能的直接转化，其能量转化效率高。考虑加速过程中焦耳热的存在，损失的电能以热能的方式存在，其最终会在尾喷管中转化为气流的动能。因此，从能量利用的角度评估，磁流体加速技术的能量利用率高。 

磁流体加速技术在上个世纪已进入航空航天领域的应用研究。来自载人航天和航空动力装置地面试验的需求，要在宽马赫数范围内提供稳定流动的高超声速风洞试验系统。在传统的电弧加热方式中，由于气体所能达到的总压远低于所需水平，且过高的温度会对喷管造成烧蚀，高总压条件使得电弧加热的方法被排除在外。研究人员提出了磁流体加速技术，证明了平衡和非平衡等离子体都能得到有效加速。美国空军阿诺德工程开发中心以及 NASA 兰利研究中心[5]都认识到，对电弧加热后喷出的气体进行磁流体加速是一种非常好的非热力加速方法，加入的能量使气流的速度增加，可以提高气流总压。研究指出：加入电离种子之后被电离的空气可以被加速到超声速，且气流密度符合高速飞行条件。国外针对该项技术开展了大量的研究，目前美国、俄罗斯和法国等在此技术领域所达到的技术成熟度较高，已研制出能够长时间稳定工作的高焓风洞。可见，磁流体加速技术是可行的。

第2章   应用于涡轮发动机的磁流体系统的参数设计

2.1   引言

磁流体加速是指利用导电介质作为载体，通入和流动方向、磁场方向相垂直的电流，根据法拉第电磁感应原理利用电磁力加速或减速流体，从而达到宏观控制流体的效果。

本章研究的目的是通过建立实际物理问题的模型，利用 Matlab 软件根据MacCormack 算法对磁流体加速通道的流场特性进行了一维数值模拟分析，以便更好进行后续的 MHD 加速实验，更合理地选择磁流体加速通道的外部电磁场配置、通道负载等参数。

本章重点分析了磁流体加速通道的物理模型，并在一定的假设条件基础上进行了数学抽象分析，进行了直接施加电场、以负载形式施加两种方式对不同负载条件下等直通道内负载匹配与通道工作模式之间的关系进行了研究，分析了其工作边界。并研究了存在粘性和背压的真实环境中MHD通道工作特征。

2.2   磁流体加速（MHDA）流场的模型及数值计算方法

2.2.1   物理模型

等离子体可以作为导电介质，传导电流的同时可以以流体状态进行流动，物理模型如图 2-1 所示。若在 y 方向施加一个匀强磁场，根据法拉第电磁感应定律，导电介质切割磁感线会产生一个和运动方向、磁场方向都相垂直的感应电势，形成感应电流。在与流动、磁场方向相垂直的 z 方向的两个壁面各安置一个电极，连接外电路形成回路。当电路中连入负载时，即消耗电能时，则 MHD通道为 MHDG 发电通道；当电路中连入电源时，即向通道内注入电能时，则MHD 通道为 MHDA 加速通道。

经过调研与试验设计出一种简单有效的兼电离、加速一体的磁流体（MHD）工作通道。作用区间采用高压、高频纳秒脉冲电源驱动介质阻挡放电（DBD）产生大体积均匀等离子体。本文以上述模型为例，讨论加速通道的工作特性。

2.2.2   数学模型及假设条件

根据以上物理模型，为了简化分析，我们做如下假设：

1)  工质为理想气体，气体无粘，通道壁面为绝热壁面；

2)  等截面通道；

3)  通道进出口截面均为缓变过流断面；

4)  流体质点只有 x 方向的速度分量，磁场 B 只有 y 方向分量，霍尔效应被忽略；

5)  等离子体电流产生的感应磁场和外部磁场相比太小可以忽略不计。

6)  能量提取视为稳态、无粘、无传热的过程，通道中的电导率视为定值。 这些假设尽管会引起真实设计不够准确，但是对于分析其一维特性是有一定意义的。 

第3章 磁流体加速系统中气体放电技术的机理试验 ............ 57

3.1  引言 ............. 57

3.2  大气压放电方案的对比试验 ..............57

3.2.1  大气压放电试验及特征 ......57

3.2.2  纳秒脉冲电源参数的选择.............61

第4章 应用于涡轮发动机的磁流体加速地面试验系统的设计......... 69

4.1  引言...................... 69

4.2  高温燃气模拟系统的设计.................. 69

4.2.1  燃气发生器参数设计................. 70

4.2.2  点火系统的设计.......... 73

结论............94

第4章   应用于涡轮发动机的磁流体加速地面试验系统的设计

4.1   引言

第二章主要对 MHD 加速进行了一维、二维流动进行了数值模拟。利用Matlab 一维计算分析了 MHD 加速通道的三种工作模式及不同电磁场匹配下通道的工作过特性，并 Fluent 数值模拟研究了在不同背压影响条件下的 MHD 通道的工作特性，为地面试验系统中 MHD 系统的参数选择提供了理论依据。第三章中对加速系统中气体放电做了实验研究，找到合适的电离方案，为实验设计提供了设计准则。

很多情况下的 MHD 加速实验都是在微尺度上或是基于激波风洞所产生的瞬时等离子体作为研究对象。但是面对等离子体在航空领域的应用需求，需要在较大的时空尺度上实现等离子体的产生及维持。在地面试验中大气压环境下，空气粒子的平均自由程较小，需要对空气粒子施加很大的电场才能使其击穿获得非平衡等离子体，而且大气压下等离子体的复合速度相当快，在微秒量级，这使得地面试验中存在很多困难。

本章主要针对较大时空尺度的等离子体多为介质，进行磁流体加速的地面试验进行设计及实验研究。为了模拟加力燃烧室出口的高温燃气气流，进行了地面试验中高温燃气模拟系统的设计；面对磁流体加速中若干的关键技术：大体积等离子体的产生及维持、电磁场激励系统、加速系统的整体实现方案，，进行了方案设计。

结论

面向MHD技术在推进系统中应用的需求，在黎明“×××”项目的支持下，开展了磁流体加速关键技术相关的研究工作。分析了不同负载匹配下 MHD 通道的工作特性，对真实带有背压、粘性条件下的二维流场特征进行了分析，发现了 MHD 通道内流动的特殊性；对加速所需的等离子体发生方案进行了实验研究，展开了 MHD 加速系统中气体放电的机理实验；并根据分析及机理实验结果设计了应用于涡轮发动机的 MHD加速地面试验系统。得到如下结论：

1)  对于一个确定的通道入口参数及磁场强度，不同负载的匹配可以使MHD 通道工作在不同的模式下，进而带来不同的流场分布。存在一个临界的电场Ecr使得通道内的流动可以穿过马赫 1的限制；当施加的电场 E>Ecr时，通道工作在“超声速”模式，通道内的流动最终会保持在一个超声速的流动状态；当施加的电场E<ecr时，通道工作在“壅塞”模式，通道内的流动最终会趋近于马赫1，流动达到壅塞。并且各个模式转换的条件路径并不是可逆的。在带有真实环境的mhd通道流场模拟中发现，mhd作用的存在可以有效地抑制附面层的分离，进而可以承载一定的抗反压能力。基于上述的流场特性分析，我们进行了面向涡轮发动机的 mhd加速系统的参数设计，在来流分别为="" 0.4马赫，电导率为0.1s·m-1，电场为="" 50kv·m-1时，可以实现="" 10%的加速效果。<="" p="">

2)  通过设计针板放电、板板放电、针板介质阻挡放电、板板介质阻挡放电、惰性气体射流激励板板介质阻挡放电等多种等离子体发生装置方案，并对其进行了对比实验研究。发现裸电极的放电可以很容易达到，但是放电模式为电弧放电而且很不均匀；惰性气体的浓度对放电效果的影响很明显，但是并不能起到预电离的效果；板板介质阻挡放电的效果较好，可以得到较均匀的放电，但是对电源参数的要求很高。

3)  在得到合适的电离方案后，进行了电源参数对放电影响的实验研究。发现快的上升沿不仅使极板间获得了更高的过电压，获得了更多的高能电子，而且还有利于均匀放电的形成；高的重复频率可以使得上一次放电还没有湮灭的离子作为下一次放电的电离种子，更容易获得很高的时均电导率；窄的脉宽使得局部的放电同时发生，这也有利于均匀放电。

参考文献（略）