黃護林，李林永，李來，劉飛標

（1.南京航空航天大學 航天學院，南京 210016；2.中國空間技術研究院總體部，北京 10094）

0 引 言

導電流體沿垂直于磁場方向運動時，在磁場和導電流體運動的正交方向上產(chǎn)生感應電場，將流體的動能轉化為電能，稱為磁流體發(fā)電。其中，等離子體磁流體發(fā)電是一種新型環(huán)保高效的發(fā)電方式。等離子體是一種具有導電性質(zhì)且有別于一般導電流體的物質(zhì)第4態(tài)，因此對磁場作用下等離子體的研究要比一般導電流體復雜得多，其研究領域涉及磁流體動力學（Magnetohydrodynamic，MHD）、等離子物理、高溫技術、材料科學等。1959年，阿夫科公司成功建造了功率為11.5 kW的實驗性等離子體磁流體發(fā)電機，這種發(fā)電機沒有機械運動部件，能夠?qū)崮苤苯愚D換為電能，轉換效率高[1]。經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，等離子體磁流體發(fā)電理論在不斷完善，實驗所用的發(fā)電通道結構在不斷改進，應用領域也在不斷擴展。2005年，美國將等離子體磁流體動力學列為空軍未來幾十年內(nèi)保持技術領先地位的六大基礎領域之一，我國在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》中也將等離子體磁流體動力學列為面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎研究[2]。2011年5月12日，空軍工程大學建成了我國首個國家級等離子體動力學實驗室，使我國進入了等離子體動力學研究的前沿領域。

1 等離子體磁流體發(fā)機電工作原理

等離子體磁流體發(fā)電機按照電流輸出方式可分為霍爾型發(fā)電機和法拉第型發(fā)電機，這兩種發(fā)電機的工作原理不盡相同。

1.1 霍爾型發(fā)電機

盤式發(fā)電通道是霍爾型發(fā)電系統(tǒng)最具代表性的結構，其工作原理是等離子體在磁場作用下，受到與流動相反的切向洛倫茲力，電子和離子沿切向方向產(chǎn)生偏轉而產(chǎn)生環(huán)形法拉第電流Jθ；同時，沿徑向的正離子和電子受到相反的徑向洛倫茲力而被分開，形成徑向霍爾電流Jr，在通道入口和出口各放置一對環(huán)形電極將霍爾電流引出，如圖1所示。盤式磁流體發(fā)電機的法拉第電流相當于短路，輸出的是霍爾電流，其輸出電壓要比法拉第通道的高，輸出的總電能大，焓提取率高；磁體系統(tǒng)可由圓盤上下兩面的亥姆霍茲線圈提供，可以產(chǎn)生平行的磁力線。

霍爾型發(fā)電機還有另外一種重要結構，其模型及相關實驗結果如圖2所示[3]。這種通道結構通過導線連接法拉第電極使法拉第電流短路，將通道第一對電極和最后一對電極與外負載連接，從而輸出霍爾電流。

對盤式等離子體磁流體發(fā)電機結構的研究主要集中于通道壁面形狀、入口結構、出口/入口橫截面積比、電極排布等。因邊界層的充分發(fā)展會降低發(fā)電機性能，Murakami[4]等通過研究盤式通道電極間的4種壁面形狀（凹面擴張通道、線性擴張通道、凸面擴張通道、高曲率凸面擴張通道）對發(fā)電性能的影響發(fā)現(xiàn)，采用凸面擴張通道時，邊界層抑制作用要比其他3種壁面形狀強，發(fā)電機性能最好（如圖3所示）。Liberati[5]等也獲得同樣的結果。

圖1 盤式發(fā)電機結構與電流流向分布Fig.1 Structure of disk type MHD generator and distribution current

圖2 擴張通道霍爾型發(fā)電結構及其實驗結果Fig.2 Divergent channel of Hall type MHD generation and its experimental results

圖3 4種盤式電極間壁面形狀Fig.3 4 types of wall shape between electrodes

如圖4所示，增加導流葉片可以減少發(fā)電段的入口損失，從而提高了發(fā)電機的輸出功率和焓提取率[6]；當導流葉片旋轉比率（S=Uθ/Ur，Uθ為切向速度，Ur為徑向速度）為1時，輸出功率最大[7]；采用導電導流葉片時，導流葉片區(qū)域的電子溫度要高于采用絕緣導流葉片的，但是發(fā)電機性能并無多大的變化[8]。

發(fā)電通道擴張角過大，則不利于提高發(fā)電機的等熵效率和焓提取率，因此采用小的擴張角是適宜的[9]。Murakami[10]等在傳統(tǒng)盤式發(fā)電機的陰陽極之間增加一中間電極，將發(fā)電機分成上游和下游兩個區(qū)域，形成一個二負載的盤式等離子體發(fā)電機（圖5），其研究結果表明，當上游負載大于或等于下游負載時，發(fā)生器輸出功率較高；上游焓提取率過多時，下游則無法獲得較高的能量轉換效率。Inui[11-12]等研究了在入口處設置一對分開的陽極并將這對陽極用外接導線短路，這種電極結構能夠使入口雙陽極之間的等離子體種子獲得充分電離，使發(fā)電機性能提高，但會引起較大的總壓損失。

圖4 盤式發(fā)電機入口結構Fig.4 Inlet structure of disk MHD generator

圖5 二負載盤式結構Fig.5 Two loads disk MHD generator

1.2 法拉第型發(fā)電機

分段法拉第型發(fā)電結構是法拉第型發(fā)電機最具代表性的結構，其由若干對平行不連續(xù)的電極分立通道兩側而組成的，同側電極之間采用絕緣材料阻隔，如圖6所示[13]。其基本工作原理是在磁場的作用下，帶電粒子受到洛倫茲力的作用而向兩側電極偏轉從而產(chǎn)生法拉第電場。與盤式發(fā)電通道充分利用霍爾效應不同，法拉第通道分段電極的設計是盡可能抑制霍爾效應的產(chǎn)生。圖7為幾種常用的法拉第型發(fā)電通道結構。

1.3 提高工質(zhì)導電率的方法

等離子體磁流體發(fā)電的工質(zhì)主要有高溫燃氣、空氣、惰性氣體、氫氣等。為了提高磁流體發(fā)電機的性能，必須提高工質(zhì)的電導率及保持電導率的穩(wěn)定。在氣體中加入少量的堿金屬種子的混合氣體可以在較低電子溫度下實現(xiàn)較高的電子數(shù)密度[14-15]。然而，額外增加涉及堿金屬的子系統(tǒng)，不僅會降低發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量功率比，還會增加發(fā)電系統(tǒng)的復雜性[16]，不適合用作深空探測的電源系統(tǒng)。目前，采用對氣體預電離的方法以提高氣體電導率較常用。提高氣體電導率的方法除熱電離[17]外還有各種外部主動電離技術，主要包括電子束電離[18]、脈沖放電電離[19]、微波電離[20]、電容耦合射頻放電電離等[21]。

圖6 分段法拉第型發(fā)電機結構和橫截面電流分布Fig.6 Segmented Faraday type MHD generator and cross section current

圖7 常用的法拉第型發(fā)電通道結構Fig.7 Typical Faraday MHD generator channels

2 國內(nèi)外研究回顧

2.1 國外研究回顧

2.1.1 數(shù)值模擬

由于數(shù)值計算科學的快速發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸在科研中發(fā)揮著越來越重要的作用，因此在等離子體磁流體發(fā)電的研究中，很大一部分是采用數(shù)值模擬進行的。

1）盤式發(fā)電機的研究

盤式磁流體發(fā)電是等離子體磁流體發(fā)電的一個重要研究方向，日本尤其重視，發(fā)表了大量的研究成果。東京工業(yè)大學Shimizu[22]等采用三維數(shù)值模擬方法驗證采用入口導流葉片的盤式發(fā)電通道實驗結果。在低種子條件下獲得的等熵效率要高于實驗結果；當提高種子濃度時，通道馬赫數(shù)逐漸下降到1以下；當種子濃度在最佳值附近時，θ方向上等離子體結構相當穩(wěn)定，相反則由于種子電離不充分而導致等離子體結構非均勻不穩(wěn)定性。Tanaka[23]等研究預電離純惰性氣體盤式發(fā)電道，揭示了當焦耳熱密度高時，通道氣體電離度上升；當陽極電流密度大時，可引起垂直方向上電離度的非均勻性從而導致邊界層發(fā)生分離；氬和氙等離子體的非均勻性和電離度的增加要比氦等離子體的明顯。Murakami[24]等研究了采用射頻電磁場提高受水蒸氣污染的盤式發(fā)生器性能的可行性。二維數(shù)值模擬結果表明，采用射頻電磁場可以抑制電離度和電子溫度的波動，從而提高發(fā)電機焓提取率和等熵效率。Liberati[25]等采用大渦模擬方法，二維數(shù)值模擬盤式發(fā)電通道的non-MHD流和MHD流。研究結果表明，non-MHD流和MHD流均在發(fā)電通道的下游發(fā)生邊界層分離，但是由于MHD效應的影響，MHD流的下游流線分布逐漸變寬，在陽極區(qū)域發(fā)生邊界層分離。Sakai[26]等采用非穩(wěn)態(tài)二維數(shù)值模擬與實驗結果對比的方法，研究發(fā)現(xiàn)入口總溫對電導率影響最大，對其控制十分重要。Harada[27]等以He/Cs為工質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)盤式發(fā)電通道入口旋流葉片的旋轉比率S為1時，可將焓提取率提高到32.5%，同時可以降低入口附近靜壓由于洛倫茲力作用而急劇上升的幅度，使整個通道的霍爾參量都保持在較高的水平。Liberati[28-31]等以Ar/Cs為工質(zhì)，研究了盤式發(fā)電通道入口與出口的壓力比值PR、通道擴張比率AR以及陽極MHD段壁面形狀對發(fā)生器性能的影響。結果表明：高PR值可使發(fā)生器獲得較大的焓提取率，此時斜激波出現(xiàn)在MHD段與下游部分的交界處；較小的AR可以提高等熵效率和焓提取率。當陽極附近采用平面型壁面時，陽極下游附近出現(xiàn)邊界層分離；陽極附近為外凸弧形壁面時，可以抑制邊界層分離，提高等離子體的穩(wěn)定性，從而提高霍爾參量和發(fā)生器的發(fā)電效率；同時，在高馬赫數(shù)低靜壓條件下，即便磁場很強，洛倫茲力也未對流場產(chǎn)生很大的阻力。東京工業(yè)大學[32-36]還研究了種子完全電離情況下對等離子體穩(wěn)定性和松弛區(qū)域的影響；采用考慮氣體波動和激波等因素的一維分析方法分析盤式發(fā)生器的實驗結果；二維數(shù)值模擬分析了邊界層、電極區(qū)以及主流區(qū)的電流分布并研究了絕熱效率與焓提取率的關系。Lou[37-38]等研究發(fā)現(xiàn)盤式發(fā)電通道入口種子濃度波動頻率為常數(shù)時，增大波動幅度使得焓提取率波動增大，平均值降低；當波動幅度一定時，焓提取率的波動頻率變化更大；無論是正弦波動還是隨機波動，發(fā)生器性能均下降；當種子濃度波動頻率為8～10 kHz的正弦波動時，焓提取率波動最大，平均值最低，因此盤式發(fā)電通道入口種子分數(shù)波動頻率要避開此頻率。

長崗科技大學主要研究的是以He/Xe混合氣體為工質(zhì)的閉環(huán)盤式磁流體發(fā)電機。Harada[39-40]等提出一種由非平衡等離子體發(fā)生器驅(qū)動的盤式發(fā)電機（NPG/CCDisk）替代由推進劑燃燒產(chǎn)物的法拉第型磁流體發(fā)電系統(tǒng)，研究表明，當盤式發(fā)電通道為直通道時，獲得的焓提取率不超過20%；當采用壓縮-擴張通道時，在熱輸入功率為18 MWt時，焓提取率達到40%；當氧化鋁顆粒和殘余氧氣超過一定水平時，發(fā)電性能就會降低。長崗科技大學還與美國馬歇爾航天中心（Marshall Space Flight Center）合作[41-43]，研究了核反應堆提供1 800 K的總溫條件下，以He/Xe混合氣體為工質(zhì)的空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)，評估了各個子系統(tǒng)的熱輸入、能量耗散、壓力損失、等熵效率等。文章指出，如果凈發(fā)電功率達到1 MW，則質(zhì)量功率比可下降到3 kg/kW；如果凈發(fā)電量超過3 MW，則質(zhì)量功率比可降到2 kg/kW以下。Harada[44-45]等通過二維數(shù)值模擬研究了以Xe種子代替堿金屬的閉環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)，如邊界條件與He/Cs工質(zhì)的相同，則He/Xe混合氣體工質(zhì)的發(fā)電機的性能遠沒有以He/Cs的好；而通過預電離和增加負載等手段提高入口電子溫度，則He/Xe發(fā)電機性能就會得到大幅提高并可獲得40%的焓提取率，但是文章并沒有研究如何提高初始電導率和保持等離子體的穩(wěn)定性及其對發(fā)電效率的影響。此后，Harada[46-49]等研究了三體復合速率對電離穩(wěn)定性以及電離穩(wěn)定性對磁流體發(fā)電機的影響。結果表明，采用普遍使用的Hivnov與Hirschberg三體復合速率曲線時，由于電離的不穩(wěn)定性導致了盤式發(fā)電通道放電場形成了渦旋結構；在更高的電子溫度下，采用Biberman三體復合速率曲線，可以獲得穩(wěn)定的焓提取率，此時放電場和電離相當穩(wěn)定。電離的不穩(wěn)定性可以通過降低種子濃度、增加負載和入口旋轉比率來抑制。Yamaguchi[50]等對盤式發(fā)電通道r-θ平面進行二維數(shù)值研究結果表明，當入口靜溫沿徑向隨時間波動時，徑向電導率分布不均勻，徑向電流和徑向最大電勢降低，發(fā)電機性能降低了13%；當靜溫沿方位角隨時間波動時，徑向電導率、徑向電流以及電極間的壓降并無多大的變化，發(fā)電機性能穩(wěn)定；當靜壓或徑向速度波動時，中間電極和陰極之間的電導率有所提高。

Kobayashi[51-53]等以純He為工質(zhì)，采用預電離的方法提高盤式發(fā)電通道入口氣體電離度，二維數(shù)值模擬結果表明，當入口預電離度達到4.79 × 10-5時，在磁場強度為4 T、負載為3 Ω的條件，發(fā)電機性能達到了加種子的水平，此時焓提取率為22.7%，等熵效率為54.8%，預電離花費為熱輸入功率的2%。當邊界層附近的電離度大于主流區(qū)時，由于洛倫茲力的作用增強，導致邊界層的充分發(fā)展，使得發(fā)電機性能下降；當邊界層的電離度小于主流區(qū)時，發(fā)電機性能得到提高。由于He的三體復合速率很低，He的電離度在不同結構尺寸的盤式通道中都近似為常數(shù)。Kobayashi[54-55]等還通過三維數(shù)值模擬研究了非平衡等離子體在通道內(nèi)的分布情況。在r-θ平面內(nèi)，等離子體呈渦旋結構分布；在r-z截面內(nèi)，若假設氣體性質(zhì)不變，則等離子體分布呈柱狀分布，當考慮到洛倫茲力和焦耳熱的影響時，等離子體分布變得較為均勻。Inui[56-58]等提出一種新的非平衡等離子體盤式發(fā)電機優(yōu)化設計方法以避免傳統(tǒng)設計方法過于繁瑣的缺點，該方法包含7個步驟，能設計出等離子體穩(wěn)定、等熵效率高的發(fā)電機。通過對r-z截面的二維數(shù)值模擬，研究其擴張通道出口背壓和不同負載對盤式發(fā)電機性能的影響，結果表明通過選擇合適的背壓條件，可以提高發(fā)電機性能，若偏離最佳背壓條件，發(fā)電機性能將會降低；通過不同負載的二維數(shù)值模擬結果與一維模擬結果進行對比，除高負載條件下，其余結果基本保持一致，而高負載條件下的間歇放電現(xiàn)象首次進行了二維數(shù)值模擬。Ishikawa[59-60]等通過數(shù)值模擬研究了盤式發(fā)電機性能并與實驗進行對比，表明一維分析可以很好地預測強電磁相互作用下的盤式發(fā)電機性能；在接近短路的情況下，流動不穩(wěn)定增長與實驗結果有某種程度上的吻合；即便忽略氬氣的電離過程，發(fā)電機性能也可以很好地被預測；模擬結果顯示，焦耳熱密度大有利于保持等離子體的穩(wěn)定性，但過大的焦耳熱密度會降低發(fā)電機性能，因此作者建議采用多負載結構以提高盤式發(fā)電通道性能。Takahashi[61]與Ichinokiyama[8]等采用數(shù)值模擬方法，以氬氣為工質(zhì)，研究了碰撞- 輻射速率模型（CR）以及盤式發(fā)電通道旋流葉片導電或絕緣時對盤式發(fā)電通道性能的影響。結果表明，激發(fā)態(tài)原子的輻射躍遷對MHD發(fā)電機具有強烈的負面影響，因為輻射躍遷結合過程使得結合速率要高于只考慮碰撞躍遷的情況，使得采用CR模型的電導率要比其它模型的低。采用導電的旋流葉片時，在旋流葉片區(qū)域的電子溫度較高；而采用絕緣旋流葉片時，電子溫度較低。在環(huán)形電極處，無論是采用導電旋流葉片還是采用絕緣旋流葉片，電子溫度并無明顯差異，發(fā)電機的性能幾乎相同。

荷蘭的埃因霍芬理工大學（Technische Hogeschool Eindhoven）是較早研究磁流體發(fā)電的高校之一，其諸多研究成果后來被日本繼承并發(fā)展。Hara[62]等基于激波風洞設備所進行的發(fā)電實驗的參數(shù)和Ar/Cs混合氣體工質(zhì)，對法拉第型磁流體發(fā)電機的數(shù)值模擬表明，電極附近電流密度大，通道內(nèi)形成明暗相間的條紋狀等離子體結構，在亮條紋內(nèi)電子溫度在4 000～6 000 K，在暗條紋內(nèi)電子溫度在2 500 K左右時，模擬結果與實驗觀察到的現(xiàn)象一致。Veefkind[63-64]等通過實驗和數(shù)值模擬，研究了等離子體特性與磁流體發(fā)電機的性能關系。實驗測得盤式發(fā)電通道的焓提取率較低，在滯壓為0.42 MPa、滯溫為2 100 K的實驗條件下，得到的焓提取率為18%。進一步實驗表明，由于電離的不穩(wěn)定性導致電離分布不均勻，使實驗測得的電導率和霍爾參量偏離理論值；當?shù)入x子體的霍爾參數(shù)低于臨界霍爾參數(shù)時，等離子體會變得相對穩(wěn)定。

俄羅斯的Dogadayev[65]等以氬/銫混合氣體為工質(zhì)，對盤式磁流體發(fā)電通道進行了數(shù)值模擬。在工質(zhì)流量為1 700 kg/s，種子濃度1.6 × 10-5、滯溫2 200 K、滯壓2 MPa等條件下，獲得34%的焓提取率，75%的等熵效率。此外，Pavshuk[66]等對空間核能磁流體發(fā)電系統(tǒng)進行探索，提出一種開環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)，以氫氣為工質(zhì)，以銫為種子，對一個熱功率為200 MW的發(fā)電系統(tǒng)進行了熱分析。在反應堆出口溫度為3 100 K、出口滯壓為5 MPa、工質(zhì)流量為5 kg/s的條件下，當采用磁場強度為6 T時，獲得20.1 MW的電能輸出。

2）法拉第型發(fā)電研究

對于法拉第型發(fā)電通道，美國方面的研究主要集中于高超聲速飛行器上。在常物性的MHD流動中，絕緣壁面邊界層由于速度的降低導致了電流密度的變化，從而產(chǎn)生變化的體積力，影響邊界層的流動，這一現(xiàn)象稱為哈特曼流（Hartmann Flow），而導電氣體由于其物性參數(shù)的變化，其絕緣壁面邊界層的流動特性更為復雜。為此，美國斯坦福大學（Stanford University）的Rankin[67]等對可壓縮氣體的絕緣壁面邊界層的流動現(xiàn)象進行了詳細的研究，并稱這一現(xiàn)象為“Extended Hartmann Flow”。數(shù)值模擬和實驗結果表明，絕緣壁面邊界層的Extended Hartmann Effects對MHD發(fā)電機性能具有重要的影響。普林斯頓大學的Macheret[17，68-73]等采用電子束電離的方法，研究了高速低溫來流法拉第型MHD發(fā)生器的電離動力學方程、電子束電離分布以及電極和邊界層的重要性。文章認為采用熱電離時，邊界層溫度要遠高于主流區(qū)，使得邊界層電導率極高，容易導致邊界層短路；在0.1個大氣壓下，若要提取到幾MJ/kg的能量，則通道長度需要1～4 m，電子數(shù)密度要達到1012～1013cm-3；由于電子束電離不受氣體溫度和電場高低的影響，因此無論在低溫還是在低電場中，電子束電離方法都可以產(chǎn)生足夠的電導率，是電離低溫氣體最有效的方法。Gaitonde[74-75]采用三維數(shù)值模擬方法研究了AJAX的能量旁路系統(tǒng)，文章采用高精度魯棒法（Robust High-Resolution Technique）求解包含電磁源項的三維Navier-Stokes方程，著重分析在給定的等離子體環(huán)境中的電磁效應，MHD發(fā)電機和MHD加速器均假設為法拉第型并且分別安裝在進口壓縮通道和出口擴張通道上。結果表明，MHD發(fā)電機可以有效地降低入口來流的速度和總溫；由于軸向霍爾場的存在使流體流動方向上產(chǎn)生了渦電流，在一定程度上影響了設備的性能；不管是MHD發(fā)電機還是MHD加速器，在相互作用參數(shù)較大時，都能產(chǎn)生很高的效率。

在日本，法拉第型發(fā)生器的研究包含了高超聲速飛行器的磁控氣道和空間核能磁流體發(fā)電兩個方面。筑波大學的Ishikawa[76]等認為電極附近的電流對等離子體分布具有重要影響，文章采用三維數(shù)值模擬方法研究了電極附近電流的分布情況。結果表明，強霍爾效應導致電流密度在陽極上游邊界較大，導致相應的溫度也很高，洛倫茲力在強電流區(qū)較強，導致強電流區(qū)域向上游移動；強霍爾效應同時導致了陰極下游的強電流區(qū)，且洛倫茲力傾向于將電流拖離陰極。筑波大學的Tamada[77]等認為超然沖壓發(fā)動機進氣道的MHD發(fā)電機的橫截面需要根據(jù)實際需要而靈活變化，在最佳負載系數(shù)條件下，只要在相同坐標位置的橫截面積相同，無論橫截面形狀是正方形還是長方形，發(fā)電機輸出功率均超過10 MW且滿足HVEPS項目的目標要求，也就是說只要橫截面積相同，橫截面形狀可以靈活選擇。筑波大學的Takahashi[78]等認為HVEPS實驗采用的是DCW（Diagonal Conducting Wall）型發(fā)電通道，而DIW（Diagonal Insulating Wall）型、HCW（Hall Conducting Wall）型和HIW（Hall Insulating Wall）發(fā)電通道并沒有進行過相關的實驗研究，因此作者采用三維數(shù)值模擬方法研究了DCW、DIW、HCW、HIW型發(fā)電機并與法拉第型發(fā)電機進行對比。結果表明，DCW型發(fā)電機獲得的輸出功率最大；與DIW和HIW型發(fā)電機相比，DCW和HCW型發(fā)電機的壁面電極能夠抑制壓降損失；霍爾型發(fā)電機HCW和HIV的輸出功率較小，法拉第型發(fā)電機輸出功率與DCW型發(fā)電機的相近，但其負載連接方式復雜，預算花費較大，因此文章認為DCW型發(fā)電機最適合用于超然沖壓發(fā)動機實驗。日本筑波大學的Gotoh[79]等對HVEPS超然沖壓發(fā)動機MHD發(fā)生器進行了數(shù)值模擬，其計算程序包含非穩(wěn)態(tài)的Navier-Stokes方程，服從于MHD假設的穩(wěn)態(tài)Maxwell方程和熱化學平衡方程等，得出以下結論：在小尺寸測試實驗下，由于小磁相互作用數(shù)而引起的流場波動可以忽略不計；當標量電導率采用比熱化學理想值降低0.813時，數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合得相當好，雖然將電導率降低為理想值的19%的原因并不清楚，但是卻是合理的，因為存在不完全燃燒和流場的非均勻性；電極附近的壓降是MHD誘導電壓的0.3～0.4倍且數(shù)值模擬結果與實驗結果能夠很好地吻合。另外，筑波大學的Nagakubo[80]等通過數(shù)值模擬研究對角線型DCW、DIW發(fā)生器和分段法拉第型發(fā)生器的性能，結果表明，DCW發(fā)生器輸出功率最大；法拉第型發(fā)生器在最大輸出功率條件下，電效率最高；3種發(fā)生器的磁相互作用數(shù)均較小，流場基本無差異。

東京工業(yè)大學的Matsumoto[81-82]等采用一維和二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法研究脈沖激光等離子體動力學與脈沖激光MHD發(fā)生器的性能。其結果表明，發(fā)生器的焓提取率為10%～30%，達到了傳統(tǒng)加種子的MHD發(fā)生器的性能；發(fā)生器輸出功率隨時間推移存在不同峰值，第一個峰值出現(xiàn)在最初的高電導率等離子體流動時，第二個峰值輸出功率稍低，但持續(xù)時間長，對發(fā)生器輸出功率的貢獻最大；隨著脈沖激光能量輸入的增加，發(fā)生器的焓提取率也在不斷增大。東京工業(yè)大學的Tanaka[83]等對以高溫惰性氣體為工質(zhì)的法拉第通道進行了二維數(shù)值模擬，結果表明，若要使等離子體從非均勻不穩(wěn)定狀態(tài)轉化為均勻穩(wěn)定狀態(tài)并提高發(fā)生器的性能，則以氦氣為工質(zhì)時，入口總溫要從11 000 K增至14 000 K；以氬氣為工質(zhì)時，入口總溫要從7 000 K增至10 000 K；以氙氣為工質(zhì)時，入口總溫要從5 000 K增至9 000 K。在低溫條件下，氙氣的電離波動最小，氦氣的焓提取率最大；在高溫條件下，離子與電子的碰撞成了主要碰撞，電導率對電子數(shù)密度的依賴性下降；當采用氬氣為工質(zhì)，外加負載為1 Ω時，獲得的焓提取率為13.1%，與實驗結果（12.9%）相近。

2.1.2 實驗研究

1）盤式發(fā)電

由東京工業(yè)大學采用Fuji-1磁流體發(fā)電研究設備（1981— 1999年）進行了一系列閉環(huán)盤式磁流體發(fā)電的研究[84-92]，其中一個重要目的就是證明閉環(huán)盤式磁流體發(fā)電機在低種子濃度和運行時間內(nèi)具有高焓提取率的優(yōu)點。在十幾年間，利用Fuji-1設備先后進行的盤式發(fā)電實驗研究包括Disk-F3a、F3r、F4。在入口滯壓為0.46 MPa，滯溫為1 850 K，熱輸入為2.57 MW時，Disk-F3a獲得的最大輸出功率為404 kW，焓提取率為15.7%，當入口滯壓為0.60 MPa，熱輸入為3.4 MW時，Disk-F3a獲得的最大輸出功率為517 kW；當滯壓為0.24 MPa、入口滯溫為1 930 K時，熱輸入為1.65 MW時，Disk-F3r獲得的最大輸出功率297 kW，焓提取率為18%。對Disk-F3a，F(xiàn)3r的實驗研究證明了盤式發(fā)電機具有較高的發(fā)電性能，同時也表明了盤式發(fā)電機還有很大的提升空間。1994年，該大學又進行了Disk-F4的研究，在2.75 MW的熱輸入功率下，Disk-F4實驗獲得了506 kW的輸出功率和18.4%的焓提取率，在試驗過程中也觀察到了一些問題，如種子附著在電極和絕緣壁面上，工質(zhì)混入大量的水蒸氣雜質(zhì)造成輸出功率下降。通過采用不銹鋼涂層陽極替代銅材料陽極來消除種子材料附著的問題，采用提高熱交換器底部溫度來減小雜質(zhì)對工質(zhì)的污染后，在最后一次的Disk-F4實驗中，當熱輸入功率為3.38 MW時，獲得的輸出功率為544 kW，當熱輸入功率為2.17 WM時，獲得的焓提取率為18.9%。

1990年代，微波射頻電離被認為是產(chǎn)生和控制盤式發(fā)生器等離子體最有效的方法[93-94]，但是當時還缺乏對射頻電磁場輔助電離的相關實驗研究。為驗證射頻電磁場輔助電離的有效性，F(xiàn)ujino[95]等以Ar-Cs為工質(zhì)，采用激波通道實驗設備，分別研究了入口總溫為2 275 ± 75 K和2 650 ± 50 K條件下盤式發(fā)電通道性能。其結果表明，當采用射頻電磁場輔助電離時，較低入口總溫的發(fā)生器性能得到明顯提高，而高溫入口的等離子體穩(wěn)定性也得到提高，輸出功率也有所增大。在Ar-Cs為工質(zhì)的實驗基礎上，Itoh[96]等進一步研究了He-Cs為工質(zhì)的等離子體發(fā)生器。其研究結果表明，射頻電磁場能夠在較大的種子和負載變化條件下提高發(fā)生器性能。Murakami[97-99]等認為加種子的方法會使系統(tǒng)復雜化且無法精準控制種子濃度，因此他們以純氬氣為工質(zhì)，射頻電磁場的頻率為13.56 MHz，功率為5 kW，研究結果表明，盡管射頻電磁場的輸入功率小，但是射頻電磁場可將電子溫度提高到8 000 K且能夠在較低的入口滯溫（4 000～4 400 K）條件下獲得15～20 kW的輸出功率，而沒有射頻電磁場輔助電離時，發(fā)生器的輸出功率幾乎可以忽略；連續(xù)輸入射頻電磁功率能夠使非平衡等離子體結構保持良好的穩(wěn)定性，發(fā)生器的能量轉換效率也得到提高。其次，作者還將射頻電磁場輔助電離的盤式發(fā)生器和多負載盤式發(fā)生器進行了實驗對比。對比結果顯示，采用射頻電磁場輔助電離時，霍爾電壓明顯提高，等離子體結構穩(wěn)定，而多負載發(fā)生器在高種子電離度和高上游負載時，雖然可以提高霍爾電勢，但是等離子體不均勻，結構不穩(wěn)定；在較大范圍的種子濃度和負載變化下，射頻電磁場輔助電離可以明顯提高發(fā)生器性能，與傳統(tǒng)盤式發(fā)生器相比，射頻電磁場輔助電離的盤式發(fā)生器比較適合在低電壓和高電流下運行。

Murakami[100-102]等結合實驗和數(shù)值模擬，研究了高能量轉換效率的盤式發(fā)生器性能，其工質(zhì)為Ar或Ar-Cs。實驗方面，以純Ar為工質(zhì)，當入口總溫由7 600 K逐漸提高到9 700 K，等離子體逐漸從非均勻不穩(wěn)定狀態(tài)轉變?yōu)榫鶆蚍€(wěn)定狀態(tài)，此時即便在磁場為0.5 T時，發(fā)生器性能也得到明顯提高，焓提取率達到加種子的水平；當入口總溫提高到9 000 K，磁場由0.5 T提高到1.2 T時，等離子體結構穩(wěn)定性和發(fā)生器性能得到提高；當入口總溫超過9 500 K，磁場超過2 T時，發(fā)生器性能開始惡化。以Ar-Cs為工質(zhì)進行實驗時，測得的入口總溫為2 150 ± 150 K，入口總壓為0.20 ± 0.1 MPa，出口馬赫數(shù)為2.2 ± 0.1（B= 0 T）或1.0 ± 0.2（B= 4 T），霍爾電流為600～700 A，電子溫度為4 00～7 000 K（在r= 55 mm處）。數(shù)值模擬結果與實驗結果保持很好的一致性。數(shù)值模擬結果表明，可以通過采用小擴張角、均勻強磁場、高電導率等離子體，足夠大的壓力梯度來克服緊湊型發(fā)生器的缺點，提高發(fā)生器性能，使發(fā)生器輸出功率密度達到0.76 GW/m3，等熵效率達到51%，焓提取率達到17%。

2）法拉第型發(fā)電

1959年，阿夫科公司建造了功率為11.5 kW的實驗性法拉第型磁流體發(fā)電機，這一裝置采用3 000 K的氬等離子體噴流作為工質(zhì)，通道長寬高尺寸為500 × 75 ×25 mm，通道兩側等距離放置40對電極。由于等離子體與磁場之間的強烈相互作用，實驗觀察到了可觀的壓力降。1959年后期，阿夫科開始和一些電器企業(yè)合作，建造了一個大型的實驗性發(fā)電機，其長寬高尺寸為1 500 × 225 × 75 mm，使用的磁場強度為3.2 T，以酒精燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體為工質(zhì)，發(fā)電機輸出功率為1.5 MW。1960年，西屋公司也建造了尺寸與阿夫科公司前期建造的發(fā)電機大致相同，但是實驗中的工質(zhì)為添加了堿金屬種子的高溫燃氣并且采用了耐火材料，通過這些改變，發(fā)生器的運行時間延長到了1 h左右。1964年，田納西州的阿諾德科學研究中心在類似的發(fā)電機上進行工作，為風洞提供所需的功率[2]。Murray[19，103-104]等采用了短時高頻脈沖（2 ns，100 kHz，約10 kV/cm）電離方法、最大6 T的超導磁鐵，實驗研究了低溫高速來流非平衡電離MHD發(fā)生器的性能。實驗結果表明，當磁場強度B= 0 T時，等離子體主要耦合在邊界層上，但是當加了磁場之后，等離子體分布就向主流區(qū)移動，表明磁場在等離子體分布中扮演重要的角色；采用微波衰減技術測得峰值電子數(shù)密度在5 × 1011～5 ×1012cm-3之間。俄亥俄州立大學開發(fā)了一種新的非平衡等離子體超音速MHD風洞實驗裝置，能夠在超音速MHD實驗段產(chǎn)生穩(wěn)定均勻擴散的等離子體流[105-108]。利用該實驗裝置，Nishihara[109-111]等對MHD發(fā)電通道進行了一系列研究。在磁場強度為1.5 T，射頻放電功率為500 W時，實驗測得的霍爾參數(shù)β近似為3，電導率約等于0.05 mho/m；當洛倫茲力與流動方向相反時，邊界層的密度波動強度增加了10%～20%；焦耳熱對邊界層氣體密度波動的影響可以忽略不計。采用激光散射方法對磁場強度為1.5 T，流速為3 Ma的實驗段邊界層進行可視化的研究結果表明，隨著雷諾數(shù)的增加，邊界層流動變得更加混亂，溫度波動的空間尺寸減小，通過激光差分干涉實驗測量技術測得的邊界層密度波動結果表明，邊界層轉戾發(fā)生在滯壓為200～500 Torr之間，當洛倫茲力對流體減速時，靜壓上升17%～20%，而洛倫茲力對流體加速時，靜壓上升僅為5%～7%。當邊界層滯壓從150 Torr變化到450 Torr時，雷諾數(shù)從2.7 × 105變化到8.1 × 105。由美國空軍發(fā)起的HVEPS（Hypersonic Vehicle Electric Power System）項目[112-114]，在5年的時間里完成了各種機載高超聲速MHD發(fā)電系統(tǒng)集成和運營等相關工程技術的研究，2006年12月建成了高超聲速MHD發(fā)電的地面測試系統(tǒng)，2007年8月成功完成了地面測試實驗。

日本對法拉第型發(fā)生器的研究也投入了相當多的人力、物力和財力。Tanaka[115-119]等以激波風洞設備為基礎，實驗結果表明，通過提高入口總溫可以使等離子體從非均勻不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸轉變?yōu)榫鶆蚍€(wěn)定狀態(tài)并提高了法拉第型發(fā)生器的輸出功率。對于不同的惰性氣體，等離子體從非均勻不穩(wěn)定狀態(tài)轉變?yōu)榫鶆蚍€(wěn)定狀態(tài)所需的入口總溫各不相同，氦氣所需的入口總溫要高于氬氣，氙氣所需的入口總溫最低。Tanaka[120]等以激波風洞設備為基礎，實驗研究高溫純氬氣線性型法拉第發(fā)生器，當入口總溫為9 000 K，總壓為0.105 MPa、磁場強度為4 T時，最大輸出功率達到15.5 kW，對應的焓提取率為11.3%，在第4對電極處，最大功率密度達到187 MW/m3，輸出功率和等離子體發(fā)光波動較小，等離子體相當穩(wěn)定；當入口總溫從8 000 K提高到9 000 K時，發(fā)生器性能獲得顯著的提升，電極附近壓降明顯，是導致發(fā)生器性能下降的重要原因。Murakami[121]等用短時脈沖激波實驗設備，入口總溫從7 000 K增大到9 000 K，磁場強度從2 T增大到4 T時，發(fā)現(xiàn)通道的等離子體從入口處的熱電離平衡態(tài)逐漸變?yōu)镸HD通道中的弱非平衡電離態(tài)，放電結構相當穩(wěn)定，發(fā)生器性能隨入口總溫和磁場強度的增加而單調(diào)遞增；當總溫達到9 000 K，磁場強度達到4 T時，焓提取率達到13.1%，通道平均功率密度達到0.16 GW/m3，局部功率密度達到0.24 GW/m3。Komatsu[122]等實驗研究在入口總溫為9 000 K、總壓為0.105 MPa、磁場強度為4 T的條件下，發(fā)現(xiàn)無論是采用線性霍爾連接方式或?qū)沁B接方式，通道中等離子體均較為穩(wěn)定；當采用霍爾連接方式時，焓提取率為5.6%；當采用對角連接方式時，斜連角范圍在53°～66°時，焓提取率為6.7%，斜連角范圍在36°～48°時，焓提取率為10.1%。

2.2 國內(nèi)研究

2.2.1 數(shù)值模擬

北京航空航天大學的鄭小梅[123-126]對超然沖壓發(fā)動機的磁控進氣道進行了數(shù)值模擬，結果表明，外加磁場作用于弱等離子體流可使非設計馬赫數(shù)下進氣道激波滿足SOL（Shock on Lip）條件，并使出口處的流動變得均勻；當飛行馬赫數(shù)大于設計馬赫數(shù)時，采用磁控進氣道可以調(diào)整激波位置使激波回到設計點，并減小燃燒室入口處的馬赫數(shù)。呂浩宇[127-129]對三維磁流體發(fā)電通道內(nèi)流動特性的研究結果顯示，通道內(nèi)的馬赫數(shù)和總焓均降低且在主流區(qū)中沿磁場方向的平面內(nèi)出現(xiàn)了二維流動效應，電流扭曲現(xiàn)象隨著磁相互作用參數(shù)的增大而越發(fā)明顯，甚至出現(xiàn)了渦電流；霍爾效應可以延緩渦電流的產(chǎn)生，同時也破壞了通道中流場、電場以及焦耳熱的對稱性；對考慮霍爾效應的壓縮管道進行了數(shù)值模擬并與直方通道進行對比，發(fā)現(xiàn)壓縮管道內(nèi)出現(xiàn)了嚴重的二次流現(xiàn)象并產(chǎn)生沿流向的電流，使得發(fā)生器的焓提取率降低，所以壓縮通道的發(fā)生器性能要弱于直方通道的性能；輸出電能、焓提取率與通道橫截面積呈非線性。由于渦電流和二次流效應的影響，形狀參數(shù)較小的發(fā)生器焦耳熱較為嚴重，二次流較弱，而形狀參數(shù)較大的發(fā)生器焦耳熱較小，二次流增強。然而呂浩宇是基于電導率在通道內(nèi)均勻分布的假設下進行的模擬研究，且對維持恒定電導率所外加的電離能未加入能量方程中，這與實際情況不符合。許振宇[130]采用分裂式算法對直方通道磁流體發(fā)生器的電磁效應進行了模擬，結果表明分列式算法在超聲速磁流體發(fā)電器等截面管道流動的數(shù)值計算中是具有可靠性的。南京航空航天大學的黃浩[131-133]等主要從不同負載系數(shù)、不同磁場強度、不同電極/絕緣比S以及不同電離花費這4個方面對高超聲速磁流體發(fā)生器性能進行數(shù)值模擬，當負載系數(shù)為0.5時，輸出功率達到最大；磁場強度為8 T，電導率為20 mho/m，管道長度為0.5 m時，可將來流從6 Ma降至3 Ma以下且溫度能夠保持在800 K以下；當S= 1時，焦耳熱最小，有利于對來流的焓提取，但要增加電極布置密度；電離花費（單位：MW/m3）為0.06、0.6、6、30、300時，產(chǎn)生的電導率（單位：mho/m）分別為0.28、0.9、3、7、27，當電離能量花費為30 MW/m3，磁場強度為10 T時，能量提取率達到26%，發(fā)生器性能達到最佳。中國航天空氣動力技術研究院的胡海洋[134]等采用無虛擬時間步長LUSGS預處理BI-CGSTAB算法對大霍爾系數(shù)下電離氣體與磁場相互作用規(guī)律進行研究，在霍爾系數(shù)為102量級條件下，如不抑制霍爾電流，電磁力作用效果將大大降低，陰極冷卻可以有效地抑制霍爾效應，陰極冷卻越好，霍爾系數(shù)越小。此外，由于等離子體磁流體的電磁效應在流動控制方面具有廣闊的應用情景，因此在這一方面，國內(nèi)也進行過相關研究[135-142]，主要圍繞高超聲速前體/進氣道的MHD流動控制、進氣道邊界層分離、高超聲速弱電離氣體繞鈍頭體/楔形體等流動控制的研究。

2.2.2 實驗研究

我國的等離子體磁流體發(fā)電實驗研究起步于20世紀60年代初期并且主要以燃煤磁流體發(fā)電研究為主，中科院電工所首先參與了燃煤磁流體發(fā)電的研究，上海發(fā)電設備成套研究所、東南大學等也先后加入了等離子體磁流體發(fā)電的研究。中科院電工所在1964年、1965年研制的燃煤磁流體發(fā)電機分別發(fā)出了80 W、300 W電功率，其中1965年的改進型發(fā)電機組成功運行了3 min并在1966年的成果展覽會上展出。1972年上海電機廠特種電機研究室研制成功了當時我國容量最大的短時間磁流體發(fā)電機，輸出功率為580 kW，運行1 min。1974年，南京工學院[2，143]磁流體研究小組建成了我國第一臺能提供1 500 ℃高溫預熱空氣的石球式高溫預熱器的小型磁流體發(fā)電機裝置JS-1并進行試驗測試，該裝置主要由磁流體發(fā)電機、逆變器、燃燒室、高溫氣體預熱器、種子回收設備、測量方法以及蒸汽發(fā)生器等。1978年，他們又研制了我國第一臺小型的民用磁流體發(fā)電機，其輸出功率為12 kW，累計運行時間達到了1 000 h。在此試驗基礎上，南京工學院的周紀瑜[144]還對JS-2磁流體發(fā)電機電極的溫度場與熱應力進行了數(shù)值分析，認為陶瓷電極與金屬電極的工作溫度均低于其最佳工作溫度，宜將陶瓷電極片厚度增加1～2 mm，使其工作溫度達到1 600 ℃，以改善其工作性能；陶瓷電極片冷端面溫度低于300 ℃，不利于電極片冷端面的導電，必須提高背面溫度；電極絕緣層前端（迎火面）因溫度過高而燒毀；陶瓷電極銅肋靠近迎氣流面處溫度已達300 ℃，超過絕緣硅橡膠使用溫度，必須降低其工作溫度；MHD通道中電場與磁場的存在使燃氣向電極壁的放熱系數(shù)增加大約18%，與無磁場狀態(tài)相比，陶瓷電極峰值溫度增加90 ℃左右，金屬電極增加45 ℃左右。由于燃煤磁流體發(fā)電能夠?qū)⒌V物質(zhì)燃料發(fā)電廠的發(fā)電效率提高到50%以上并且輸出功率極高，因此在20世紀60年代到90年代一直是國際研究的重點，國內(nèi)研究者[145-148]詳細介紹了國外有關研究進展和研究計劃，總結了國外燃煤磁流體發(fā)電實驗的經(jīng)驗和教訓，為我國燃煤磁流體發(fā)電提供很好的建議，對燃煤發(fā)電通道的一些關鍵問題進行分析研究[149-158]。

進入21世紀后，我國的等離子體發(fā)電研究也開始轉向了多元化應用研究，其中包括了爆炸型磁流體發(fā)電、高超聲速飛行器進氣道的流動控制、空間核能磁流體發(fā)電等。

爆炸磁流體發(fā)電機是利用高能炸藥在爆炸室中爆炸生成的高溫高壓等離子體進行發(fā)電，這種發(fā)電機能夠輸出高功率電脈沖，很適合應用于高功率微波發(fā)生器中。中科院的李希南[159]建成了國內(nèi)首套研究型爆炸磁流體發(fā)電裝置，發(fā)現(xiàn)容器直徑與炸藥柱直徑之比過大的容器不能作為爆炸等離子體發(fā)生器；研制成功可以承受24 kV電壓和74.3 kA電流多次脈沖擊的高場磁體實驗裝置，可重復利用的發(fā)電通道，爆炸壓力測量、脈沖磁場測量、高低電壓隔離等測量系統(tǒng)。空軍工程大學的李益文[160-162]等采用電容耦合射頻放電電離超音速氣體，以Ar為工質(zhì)、K2CO3為種子對MHD發(fā)生器進行初步試驗，通道入口總壓為0.32 MPa、總溫6 504 K、磁場強度為0.5 T、出口速度為1 959 m/s，實驗測得的電導率約為20 S/m，當負載系數(shù)為0.5時，輸出功率達到了4.797 1 MW/m3，焓提取率為0.34%。穩(wěn)定的超音速流可以保證放電試驗的可靠性；超音速流的放電區(qū)域相對較小且空間分布隨時間變化；等離子體的擴撒受磁場限制導致電離度提高。尺寸為16 mm ×10 mm × 20 mm為MHD發(fā)電通道，在3.5 Ma、質(zhì)量流率為0.023 kg/m3、磁場強度為1.25 T的條件下，測得的開路電壓為10 V，當磁場強度為1 T時，可穩(wěn)定輸出功率0.12 MW。

3 結 論

本文回顧了等離子體磁流體發(fā)電的發(fā)展歷程，重點分析了等離子體磁流體發(fā)電研究的關鍵問題和研究熱點，得到如下結論：

1）對等離子體磁流體發(fā)電的研究將會不斷深化，其應用范圍也會越來越大，潛在的應用價值將被逐漸揭示；

2）無論是應用于高超聲速飛行器的磁流體發(fā)電還是空間核能磁流體發(fā)電，目前的研究還處在理論和實驗研究階段，距工程化應用還有一定的時間，還需要相當多的技術積累；

3）對等離子體磁流體發(fā)電技術的研究將會帶動磁流體動力學、等離子物理、高溫技術、材料科學等相關領域的發(fā)展，促進航空航天技術的進步。