【摘要】 磁流體（MHD）技術是一項綜合了經典流體力學和電動力學的新型技術。其中在航空航天領域研究最為廣泛的是利用等離子體在電磁場共同作用下進行主動流動控制。導電的流體在磁場的作用下可以用來發(fā)電或者加速氣流，然而在飛行或地面試驗過程中，流動、強磁場條件下大體積均勻等離子體的產生、MHD和流場耦合作用的影響是一個值得關注的問題。因此在面向推進系統(tǒng)應用的MHD系統(tǒng)存在著諸多關鍵技術。針對以上提出的重大基礎問題，本文在黎明發(fā)動機廠的“×××”項目的資助下，開展了磁流體加速關鍵技術的相關研究，進行了MHD通道流場特殊性的研究，開展了流動、強電磁場環(huán)境下的大氣壓放電機理實驗研究，設計搭建了應用于渦輪發(fā)動機的MHD加速地面試驗系統(tǒng)，使項目得到了理論技術層面的支持。本文主要研究內容和結論如下：1)以渦輪發(fā)動機為應用對象，開展了MHD系統(tǒng)的參數設計MHD通道工作過程中存在一個臨界電場Ecr使得通道內的氣流可以平穩(wěn)穿過馬赫1，而不引起壅塞，而大于這個臨界電場時通道內的氣流會穩(wěn)定在某一個超聲速的流動狀態(tài)，當小于這個臨界電場時通道內氣流會出現壅塞現象；不同的負載匹配使MHD通道運行在三種工作模式下，然而這三種工作模式間轉換的條件路徑是不可逆的；通過對MHD通道超聲速流場下的二維數值模擬發(fā)現了不同反壓下的流場特征，了解到MHD通道具有一定的抗反壓能力。通過建立MHD的數學模型，分析了解了MHD通道工作的特殊性，為MHD通道中的電磁場參數選擇提供了理論依據，為MHD加速系統(tǒng)的設計奠定了基礎。2) MHD系統(tǒng)中關鍵技術的機理研究設計了多種等離子體產生方案并進行對比驗證實驗，分析了大氣壓條件下納秒脈沖放電的放電特征及納秒脈沖電源參數的選擇。找到了適合MHD加速試驗系統(tǒng)所需的等離子體發(fā)生方案。同時進行了磁場、流動、納秒脈沖電源參數對放電的影響等機理性驗證試驗。指出流動使得擊穿電壓升高的同時也使其放電變得均勻，磁場的存在可以使放電增強并可以使放電向均勻放電發(fā)展，由于實驗過程中電源的脈沖輻射很強，對電子元件的影響很嚴重，得到的實驗效果不是很理想，在后續(xù)研究過程中有待完善。但是為地面MHD加速實驗系統(tǒng)提供了設計準則。3) MHD加速地面試驗系統(tǒng)的設計與實現針對以上模擬及機理實驗研究，對MHD地面加速系統(tǒng)進行了設計。MHD加速地面試驗系統(tǒng)大體分為燃氣發(fā)生器和試驗段兩部分，對燃氣發(fā)生器設計了兩套方案，最終選定了采用基于渦輪發(fā)動機點火器進行點火的燃氣發(fā)生器方案，配合摻混段、分流器、噴管使氣流達到出口氣流參數要求。同時也進行了試驗段內等離子體發(fā)生裝置的多方案設計及電磁場激勵系統(tǒng)的設計，選用電磁鐵作為勻強磁場源，試驗段中采用加速、電離同時進行的方案。等離子體特性的診斷主要依靠傳統(tǒng)的伏安法或利用TDLAS光學診斷系統(tǒng)。并在不能很好得到理想等離子體效果的情況下給出了改進方案。 

第1章   緒論

1.1   課題的研究背景及意義

1.1.1   推進系統(tǒng)中流動控制的需求

高超聲速飛行器具有高速度、突防成功率高等優(yōu)點，具有很大的軍事價值是軍用航空器的戰(zhàn)略發(fā)展方向，將會為航空史帶來新的變革。作為動力系統(tǒng)的沖壓發(fā)動機成為實現高超聲速飛行的重要核心技術，是世界各國重點發(fā)展研究的領域之一。 沖壓發(fā)動機啟動加速段很長，因此發(fā)動機必然長時間工作在非設計點上，這導致進氣道、燃燒室、尾噴管的參數協(xié)調極其困難，可能出現進氣道亞音速溢流、燃燒模態(tài)不佳以及尾噴管膨脹過度或不足，來流流量和加熱量往往不是供不應求就是供大于求。由于進氣道和燃燒室之間工作特性不能相匹配，使得發(fā)動機的性能急劇下降。隨著來流馬赫數的進一步提高，沖壓發(fā)動機的工作范圍越來越寬，進氣道、燃燒室和尾噴管之間的參數協(xié)調問題愈加明顯。需要探尋新的技術和方法來解決進氣道與燃燒室之間的強耦合問題，并同時使得發(fā)動機能夠在更寬的馬赫數內飛行。對于航空發(fā)動機，應對新一代作戰(zhàn)飛機具有短距起降、超音速巡航、大作戰(zhàn)半徑、更強的生存能力、靈活的戰(zhàn)場適應性、高可靠性、低全壽命期費用等的需求。因此必須提高吸氣式發(fā)動機壓縮部件的增壓比、安全裕度、工作效率。

非工況飛行（比如起飛、著陸、大機動飛行等）是航空推進系統(tǒng)不得不面對的一個重要問題，會對推進系統(tǒng)造成直接的影響。例如沖壓發(fā)動機進氣道的激波系統(tǒng)偏離唇口，造成進氣道捕獲空氣性能下降；當飛行器飛行攻角較大時，進氣道出口的總壓的嚴重畸變會使得壓縮系統(tǒng)不穩(wěn)定工作（例如壓縮系統(tǒng)的旋轉失速、喘振、效率急劇降低等現象）；航空發(fā)動機壓氣機的負荷不斷增加，壓氣機葉片存在流動分離，導致壓氣機性能下降。

1.2   基于等離子磁流體（MHD）加速技術在推進系統(tǒng)中的應用

1.2.1   基于等離子磁流體（MHD）加速原理

磁流體加速通道中電離的高溫氣流與電、磁場相互作用，在洛侖茲力（j×B）作用下實現加速過程。磁流體加速通道的工作依賴于電磁場布置和空氣電離水平，基本不受發(fā)動機其他部件的影響，可以在現有的設計參數和材料應用水平下，實現能量的進一步轉化以獲取發(fā)動機的推力增益。從技術實現角度，在燃燒室中添加堿金屬元素可以提高燃氣的初始電離水平，并采用大氣壓非平衡電離技術可以滿足壁面附近的氣流電離水平。由于電能和動能屬于同一品質的能量，電離的氣體在通道中實現電能→動能的直接轉化，其能量轉化效率高。考慮加速過程中焦耳熱的存在，損失的電能以熱能的方式存在，其最終會在尾噴管中轉化為氣流的動能。因此，從能量利用的角度評估，磁流體加速技術的能量利用率高。 

磁流體加速技術在上個世紀已進入航空航天領域的應用研究。來自載人航天和航空動力裝置地面試驗的需求，要在寬馬赫數范圍內提供穩(wěn)定流動的高超聲速風洞試驗系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的電弧加熱方式中，由于氣體所能達到的總壓遠低于所需水平，且過高的溫度會對噴管造成燒蝕，高總壓條件使得電弧加熱的方法被排除在外。研究人員提出了磁流體加速技術，證明了平衡和非平衡等離子體都能得到有效加速。美國空軍阿諾德工程開發(fā)中心以及 NASA 蘭利研究中心[5]都認識到，對電弧加熱后噴出的氣體進行磁流體加速是一種非常好的非熱力加速方法，加入的能量使氣流的速度增加，可以提高氣流總壓。研究指出：加入電離種子之后被電離的空氣可以被加速到超聲速，且氣流密度符合高速飛行條件。國外針對該項技術開展了大量的研究，目前美國、俄羅斯和法國等在此技術領域所達到的技術成熟度較高，已研制出能夠長時間穩(wěn)定工作的高焓風洞�？梢姡�磁流體加速技術是可行的。

第2章   應用于渦輪發(fā)動機的磁流體系統(tǒng)的參數設計

2.1   引言

磁流體加速是指利用導電介質作為載體，通入和流動方向、磁場方向相垂直的電流，根據法拉第電磁感應原理利用電磁力加速或減速流體，從而達到宏觀控制流體的效果。

本章研究的目的是通過建立實際物理問題的模型，利用 Matlab 軟件根據MacCormack 算法對磁流體加速通道的流場特性進行了一維數值模擬分析，以便更好進行后續(xù)的 MHD 加速實驗，更合理地選擇磁流體加速通道的外部電磁場配置、通道負載等參數。

本章重點分析了磁流體加速通道的物理模型，并在一定的假設條件基礎上進行了數學抽象分析，進行了直接施加電場、以負載形式施加兩種方式對不同負載條件下等直通道內負載匹配與通道工作模式之間的關系進行了研究，分析了其工作邊界。并研究了存在粘性和背壓的真實環(huán)境中MHD通道工作特征。

2.2   磁流體加速（MHDA）流場的模型及數值計算方法

2.2.1   物理模型

等離子體可以作為導電介質，傳導電流的同時可以以流體狀態(tài)進行流動，物理模型如圖 2-1 所示。若在 y 方向施加一個勻強磁場，根據法拉第電磁感應定律，導電介質切割磁感線會產生一個和運動方向、磁場方向都相垂直的感應電勢，形成感應電流。在與流動、磁場方向相垂直的 z 方向的兩個壁面各安置一個電極，連接外電路形成回路。當電路中連入負載時，即消耗電能時，則 MHD通道為 MHDG 發(fā)電通道；當電路中連入電源時，即向通道內注入電能時，則MHD 通道為 MHDA 加速通道。

經過調研與試驗設計出一種簡單有效的兼電離、加速一體的磁流體（MHD）工作通道。作用區(qū)間采用高壓、高頻納秒脈沖電源驅動介質阻擋放電（DBD）產生大體積均勻等離子體。本文以上述模型為例，討論加速通道的工作特性。

2.2.2   數學模型及假設條件

根據以上物理模型，為了簡化分析，我們做如下假設：

1)  工質為理想氣體，氣體無粘，通道壁面為絕熱壁面；

2)  等截面通道；

3)  通道進出口截面均為緩變過流斷面；

4)  流體質點只有 x 方向的速度分量，磁場 B 只有 y 方向分量，霍爾效應被忽略；

5)  等離子體電流產生的感應磁場和外部磁場相比太小可以忽略不計。

6)  能量提取視為穩(wěn)態(tài)、無粘、無傳熱的過程，通道中的電導率視為定值。 這些假設盡管會引起真實設計不夠準確，但是對于分析其一維特性是有一定意義的。 

第3章 磁流體加速系統(tǒng)中氣體放電技術的機理試驗 ............ 57

3.1  引言 ............. 57

3.2  大氣壓放電方案的對比試驗 ..............57

3.2.1  大氣壓放電試驗及特征 ......57

3.2.2  納秒脈沖電源參數的選擇.............61

第4章 應用于渦輪發(fā)動機的磁流體加速地面試驗系統(tǒng)的設計......... 69

4.1  引言...................... 69

4.2  高溫燃氣模擬系統(tǒng)的設計.................. 69

4.2.1  燃氣發(fā)生器參數設計................. 70

4.2.2  點火系統(tǒng)的設計.......... 73

結論............94

第4章   應用于渦輪發(fā)動機的磁流體加速地面試驗系統(tǒng)的設計

4.1   引言

第二章主要對 MHD 加速進行了一維、二維流動進行了數值模擬。利用Matlab 一維計算分析了 MHD 加速通道的三種工作模式及不同電磁場匹配下通道的工作過特性，并 Fluent 數值模擬研究了在不同背壓影響條件下的 MHD 通道的工作特性，為地面試驗系統(tǒng)中 MHD 系統(tǒng)的參數選擇提供了理論依據。第三章中對加速系統(tǒng)中氣體放電做了實驗研究，找到合適的電離方案，為實驗設計提供了設計準則。

很多情況下的 MHD 加速實驗都是在微尺度上或是基于激波風洞所產生的瞬時等離子體作為研究對象。但是面對等離子體在航空領域的應用需求，需要在較大的時空尺度上實現等離子體的產生及維持。在地面試驗中大氣壓環(huán)境下，空氣粒子的平均自由程較小，需要對空氣粒子施加很大的電場才能使其擊穿獲得非平衡等離子體，而且大氣壓下等離子體的復合速度相當快，在微秒量級，這使得地面試驗中存在很多困難。

本章主要針對較大時空尺度的等離子體多為介質，進行磁流體加速的地面試驗進行設計及實驗研究。為了模擬加力燃燒室出口的高溫燃氣氣流，進行了地面試驗中高溫燃氣模擬系統(tǒng)的設計；面對磁流體加速中若干的關鍵技術：大體積等離子體的產生及維持、電磁場激勵系統(tǒng)、加速系統(tǒng)的整體實現方案，，進行了方案設計。

結論

面向MHD技術在推進系統(tǒng)中應用的需求，在黎明“×××”項目的支持下，開展了磁流體加速關鍵技術相關的研究工作。分析了不同負載匹配下 MHD 通道的工作特性，對真實帶有背壓、粘性條件下的二維流場特征進行了分析，發(fā)現了 MHD 通道內流動的特殊性；對加速所需的等離子體發(fā)生方案進行了實驗研究，展開了 MHD 加速系統(tǒng)中氣體放電的機理實驗；并根據分析及機理實驗結果設計了應用于渦輪發(fā)動機的 MHD加速地面試驗系統(tǒng)。得到如下結論：

1)  對于一個確定的通道入口參數及磁場強度，不同負載的匹配可以使MHD 通道工作在不同的模式下，進而帶來不同的流場分布。存在一個臨界的電場Ecr使得通道內的流動可以穿過馬赫 1的限制；當施加的電場 E>Ecr時，通道工作在“超聲速”模式，通道內的流動最終會保持在一個超聲速的流動狀態(tài)；當施加的電場E<ecr時，通道工作在“壅塞”模式，通道內的流動最終會趨近于馬赫1，流動達到壅塞。并且各個模式轉換的條件路徑并不是可逆的。在帶有真實環(huán)境的mhd通道流場模擬中發(fā)現，mhd作用的存在可以有效地抑制附面層的分離，進而可以承載一定的抗反壓能力。基于上述的流場特性分析，我們進行了面向渦輪發(fā)動機的 mhd加速系統(tǒng)的參數設計，在來流分別為="" 0.4馬赫，電導率為0.1s·m-1，電場為="" 50kv·m-1時，可以實現="" 10%的加速效果。<="" p="">

2)  通過設計針板放電、板板放電、針板介質阻擋放電、板板介質阻擋放電、惰性氣體射流激勵板板介質阻擋放電等多種等離子體發(fā)生裝置方案，并對其進行了對比實驗研究。發(fā)現裸電極的放電可以很容易達到，但是放電模式為電弧放電而且很不均勻；惰性氣體的濃度對放電效果的影響很明顯，但是并不能起到預電離的效果；板板介質阻擋放電的效果較好，可以得到較均勻的放電，但是對電源參數的要求很高。

3)  在得到合適的電離方案后，進行了電源參數對放電影響的實驗研究。發(fā)現快的上升沿不僅使極板間獲得了更高的過電壓，獲得了更多的高能電子，而且還有利于均勻放電的形成；高的重復頻率可以使得上一次放電還沒有湮滅的離子作為下一次放電的電離種子，更容易獲得很高的時均電導率；窄的脈寬使得局部的放電同時發(fā)生，這也有利于均勻放電。

參考文獻（略）