电气体发电作为一种热能直接转换为电能的发电方式,因其系统结构简单、无机械运动部件、维修要求低和热源适用性强等优点而极具发展潜力,最有希望成为新一代高效低碳环保的发电方式之一。但是,电气体发电过程不仅存在流场、荷电粒子场和静电场的耦合,同时还存在气体宏观流动和荷电粒子输运的相互作用,是典型的多场耦合的气固两相复杂流动过程。全面系统地分析发电过程两相流动特性、能量转换规律及其影响因素,为提高电气体发电能量转化效率和广泛应用提供理论基础和依据。目前,电气体发电研究还处于基础理论研究和模型试验阶段,还有很多复杂物理现象和技术问题需要研究解决。为深入理解电气体发电器内部各种物理过程及现象,提高发电循环效率,本文理论分析了电气体发电Brayton循环,利用计算流体力学软件数值模拟了具有热添加的电气体发电通道内多场耦合的气固两相流动,构建和分析了有热添加和回热的新型电气体发电循环系统,探索了具有热添加的电气体发电过程气固两相流动和传热特性,论证了热添加引起的非绝热膨胀流动对于提高电气体发电效率的可行性。主要研究内容和结论如下:(1)基于热力学理论,对电气体发电Brayton循环热力过程进行了理论分析,理论上论证了对发电通道内流动过程进行热添加能够提高循环热效率。建立电气体发电循环理论计算公式,分析了工作气体参数和循环系统各部件的性能对循环热效率的影响。结果表明,回热器的性能对整个循环过程性能影响很大,增压比较小时,回热效果较好的循环热效率较高。当增压比大于最大输出净功量所对应的增压比值时,回热效果较好的循环热效率反而小。增加电气体发电器的电转换效率或者降低增压比可以有效的增加循环能量效率。相比压缩机,电气体发电器的性能对循环性能的影响更大。提高回热器性能可以缩小电气体发电器与压缩机性能对循环热效率的影响差别。(2)针对电气体发电能量转换通道内流场、荷电粒子场和静电场耦合作用下的气固两相复杂流动特性,利用计算流体力学软件FLUENT,模拟研究了荷电粒子传输特性和流体宏观性能参数的变化,对比分析了发电能量转换过程中的绝热流动和由热添加引起的非绝热流动之间的差异,分析讨论了不同热添加方式和不同区域进行热添加对气体和荷电粒子运动的影响。模拟结果表明发电能量转换通道内出现激波对气体加速和荷电粒子速度影响很大。由热添加加入的热量转换成气体的内能和气体的动能,从而增加粒子的速度,输出更多的电能。增加荷电粒子流量一方面会增加电荷密度,另一方面会降低荷电粒子速度,对于给定边界条件的电气体发电能量转换器,输出电流存在一个最大值。相比对整个流道加热,渐缩段加热使得更多的热量转换成了气体的动能,从而提高了荷电粒子的速度。对于壁面热传导的热添加方法,增加了壁面附近的气体速度和气体温度,热量很难传递到主流区。对于内热源加热的热添加方法,增加了整个流道区域的气体速度和气体温度,从而增加了荷电粒子的速度。(3)采用双流体模型对电发通道内多场耦合的气固两相流动物理过程进行数值计算,研究了不同的荷电粒子参数和热添加对两相流动的影响。结果发现,增加荷电粒子体积分数时,更多的气体内能转换成了荷电粒子动能,从而输出更多的电能。气固两相音速明显要低于单相气体音速,两相音速随着荷电粒子体积分数的增加而减小。此外,荷电粒子体积分数对发电通道内的电场强度影响很大,体积分数大小受到发电通道电击穿强度的限制。减小荷电粒子直径和增加荷电粒子进口温度可以增加输出电流。对电气体发电能量转换通道内进行热添加增加了整个流道区域的气体速度和气体温度,从而增加了荷电粒子的速度,增加输出电能。对荷电粒子进口温度较高的电气体发电通道内进行热添加,气体内能和输出电流增加效果更明显。(4)构建了有热添加和回热的新型电气体发电循环系统,依据数值模拟结果的工作气体参数,分析了热添加及不同热添加方式对发电循环热效率的影响,结果表明,循环净功量和循环热效率都随着电气体发电器进口温度的增加而增加。通过对电气体发电器进行热添加能够有效提高发电循环净功量和循环热效率,净功量和热效率都随着热量Q的增加而增加。相比壁面热传导加热方式,内热源加热的方式使循环热效率增加效果更显著。加热渐缩段和提高荷电粒子温度能更有效的增加电气体发电循环的净功量和热效率。