法拉第型磁流体发电机试验和数值仿真

发布时间：2021-03-20 22:30

　　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1T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866kW/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。 

【文章来源】：航空学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

图３法拉第型磁流体发电试验Ｆｉｇ．３ＦａｒａｄａｙｔｙｐｅＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

／ｍ３。在壁面附近，由于工质速度较低，静温较高，铯原子电离显著，其分布明显高于主流气体。由于霍尔参数β∝Ｂ／ｐ，结合静压的分布（图１２（ａ））可以看出，在压力较大的区域霍尔参数较低，压力较小的区域霍尔参数较高，如图１７所示。电极间的霍尔参数在４．４～５．１之间，接近沙哈方程求解结果４．５８４。图１４气体电导率分布Ｆｉｇ．１４Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｇａｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ图１５电子温度分布Ｆｉｇ．１５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ图１６铯离子浓度分布Ｆｉｇ．１６ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＣｓｉｏｎｓｎｕｍｂｅｒｄｅｎｓｉｔｙ图１７霍尔参数分布Ｆｉｇ．１７ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＨａｌｌｐａｒａｍｅｔｅｒ４结论１）开发了一套小功率法拉第型磁流体发电试验装置，在１Ｔ磁场强度下，实现了１９４Ｗ的功率输出，功率密度８６６ｋＷ／ｍ３，初步验证了高温气体磁流体发电的可行性。２）由开路电压测量试验和未加磁场情况下的流场分析表明：受发电通道入口前端激波的影响，试验中工质未达到设计状态。３）结合电导率测量试验和三维仿真分析结

统采用的热源方式，加热速度约４０℃／ｈ［８］。为兼顾试验的时间成本和热源品质，本试验在研究过程中采用了电弧加热器作为热源。电弧加热器可瞬间加热气体至２０００～６０００Ｋ，总压维持至０．５ＭＰａ，同时具备较长持续时间，可以满足对发电过程研究的需要。为便于进行原理性验证，磁流体发电机设计为连续电极型。发电通道由耐高温绝缘陶瓷制成，截面为等截面矩形，尺寸为１６ｍｍ×６４ｍｍ。发电机运行中气流方向、磁场方向和感应电流的方向如图１所示。发电通道侧壁布置钨铜合金电极。图中，Ｕ为气流方向，Ｂ为磁场方向。发电通道的输出功率与工质电导率、速度、磁场强度、发电通道体积等密切相关。发电机设计功率为６２８Ｗ，发电通道中心磁场强度为１Ｔ，采用永磁体方案。发电机设计参数如表１所示。图１法拉第型磁流体发电机示意图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＦａｒａｄａｙｔｙｐｅＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｏｒ表１ＭＨＤ发电机设计参数Ｔａｂｌｅ１ＤｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＭＨＤｇｅｎｅｒａｔｏｒ参数数值参数数值磁极距／ｍｍ１４工质Ａｒ电极距／ｍｍ６４电离种子Ｃｓ入口总温／Ｋ４０００种子浓度１０－４～１０－３入口总压／ＭＰａ０．５电导率／（Ｓ·ｍ－１）１０入口速度／（ｍ·ｓ－１）１４００流量／（ｋｇ·ｓ－１）０．３３磁场强度／Ｔ１输出功率／Ｗ６２８

【参考文献】：
期刊论文
[1]磁流体动力学在航空工程中的应用与展望[J]. 李益文,张百灵,李应红,肖良华,王宇天,何国强.  力学进展. 2017(00)



本文编号：3091784