非平衡等离子体射流磁流体特性试验研究

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随着我国经济的持续高速增长,能源短缺对经济发展的束缚越来越突出,能源安全形势令人担忧,环境保护压力凸显。为了实现能源利用与环境的协调发展,能源的清洁利用越来越成为人们的共识。   磁流体发电是将热能直接转换成电能的新型发电形式,与传统的以燃烧化石燃料为主的火力发电生产相比,磁流体发电具有效率高、污染小的特点。然而,即便常规磁流体发电运用添加种子在一定程度上降低了气体电离温度,但其发展仍然面临高温耐热材料的难题。   东南大学提出了通过非平衡外部电离的方式提高流体的导电率实现磁流体发电,本文针对非平衡态等离子体磁流体发电的概念,研究了非平衡态等离子体射流的磁流体特性,为今后的研究提供可靠的实验依据。   第二章基于目前较为流行的毛细管介质阻挡放电等离子体产生装置,优化设计了等离子体产生装置及其测量系统。大气压射流等离子体中电子能量成比例分配予热能及分子原子的电离和激发能。因此本章借助红外CCD和高速CCD分别探讨了输入功率、气体流量及电极距离对热能和相对电离度的影响。研究结果表明:   输入功率的提高使热能与相对电离度同步增大,相对电离度随输入功率的增大呈线性增长;气流流量越大则射流温度越低,温度场面积越小,表明热能下降。而随着气体流量的提高相对电离度则缓慢增大,但是在管径为4mm的实验中,增大并不明显;电极距离较大时,单位时间内通过放电区的气体越多,气体工质总的相对电离度越高,不同电极距离相对电离度的最高差值位于25%-67%。尤其在高输入功率、高气体流量下,较大电极距离表现出更高的相对电离度;输入功率与气体流量相随增长能稳定等离子体射流,且在气体流速较高时,增大输入功率促进等离子体电离程度的效果更加明显。   第三章和第四章设计了以喷口直径为28mm的缩放喷管等离子体发生器为主体的系统,并以射流在不同放电条件下图像灰度值的变化为处理数据的依据,研究了输入功率、气体流量及电极距离对等离子体射流形态及相对电离度的影响。然后设计了研究等离子体射流放电特性的测量电路,考察了上述三种因素对放电特性的影响,进而估算了一些工况下的电导率,电导率估算结果与实验所得结果相符。并得出以下结论:   非平衡等离子体射流的激发功率约为14w,射程可达到50mm左右,宏观温度远远低于37℃。射流由尖端放电产生继而耦合DBD放电随气流方向向管外喷出,电子和离子密度在靠近电极轴心位置最高;输入功率、气体流量及电极距离的变化不仅改变了射流的密度、射程和颜色等物理特性,也影响了相对电离度、电导率。当气体流量降至6m3/h以下时,等离子体射流直观上非常接近火苗,此时其宏观温度仍较低;随着气体流量的升高,电极距离的增大,相对电离度所占比例增加,而转化为热能的比例相应减小;随着输入功率、气体流速及电极距离的增大,等离子体中的丝状放电被有效抑制,放电形式由丝状放电有向辉光放电发展的趋势。
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