【摘要】 磁流體（MHD）技術(shù)是一項(xiàng)綜合了經(jīng)典流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的新型技術(shù)。其中在航空航天領(lǐng)域研究最為廣泛的是利用等離子體在電磁場(chǎng)共同作用下進(jìn)行主動(dòng)流動(dòng)控制。導(dǎo)電的流體在磁場(chǎng)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(yàn)過程中，流動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)條件下大體積均勻等離子體的產(chǎn)生、MHD和流場(chǎng)耦合作用的影響是一個(gè)值得關(guān)注的問題。因此在面向推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的MHD系統(tǒng)存在著諸多關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)以上提出的重大基礎(chǔ)問題，本文在黎明發(fā)動(dòng)機(jī)廠的“×××”項(xiàng)目的資助下，開展了磁流體加速關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)研究，進(jìn)行了MHD通道流場(chǎng)特殊性的研究，開展了流動(dòng)、強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下的大氣壓放電機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)搭建了應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的MHD加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)，使項(xiàng)目得到了理論技術(shù)層面的支持。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：1)以渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為應(yīng)用對(duì)象，開展了MHD系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)MHD通道工作過程中存在一個(gè)臨界電場(chǎng)Ecr使得通道內(nèi)的氣流可以平穩(wěn)穿過馬赫1，而不引起壅塞，而大于這個(gè)臨界電場(chǎng)時(shí)通道內(nèi)的氣流會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)超聲速的流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)小于這個(gè)臨界電場(chǎng)時(shí)通道內(nèi)氣流會(huì)出現(xiàn)壅塞現(xiàn)象；不同的負(fù)載匹配使MHD通道運(yùn)行在三種工作模式下，然而這三種工作模式間轉(zhuǎn)換的條件路徑是不可逆的；通過對(duì)MHD通道超聲速流場(chǎng)下的二維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了不同反壓下的流場(chǎng)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(shù)學(xué)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(chǎng)參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)，為MHD加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。2) MHD系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的機(jī)理研究設(shè)計(jì)了多種等離子體產(chǎn)生方案并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，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(shù)的選擇。找到了適合MHD加速試驗(yàn)系統(tǒng)所需的等離子體發(fā)生方案。同時(shí)進(jìn)行了磁場(chǎng)、流動(dòng)、納秒脈沖電源參數(shù)對(duì)放電的影響等機(jī)理性驗(yàn)證試驗(yàn)。指出流動(dòng)使得擊穿電壓升高的同時(shí)也使其放電變得均勻，磁場(chǎng)的存在可以使放電增強(qiáng)并可以使放電向均勻放電發(fā)展，由于實(shí)驗(yàn)過程中電源的脈沖輻射很強(qiáng)，對(duì)電子元件的影響很嚴(yán)重，得到的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。3) MHD加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)針對(duì)以上模擬及機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)MHD地面加速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。MHD加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)大體分為燃?xì)獍l(fā)生器和試驗(yàn)段兩部分，對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器設(shè)計(jì)了兩套方案，最終選定了采用基于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火的燃?xì)獍l(fā)生器方案，配合摻混段、分流器、噴管使氣流達(dá)到出口氣流參數(shù)要求。同時(shí)也進(jìn)行了試驗(yàn)段內(nèi)等離子體發(fā)生裝置的多方案設(shè)計(jì)及電磁場(chǎng)激勵(lì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選用電磁鐵作為勻強(qiáng)磁場(chǎng)源，試驗(yàn)段中采用加速、電離同時(shí)進(jìn)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(xué)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(jìn)方案。 

第1章   緒論

1.1   課題的研究背景及意義

1.1.1   推進(jìn)系統(tǒng)中流動(dòng)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(diǎn)，具有很大的軍事價(jià)值是軍用航空器的戰(zhàn)略發(fā)展方向，將會(huì)為航空史帶來新的變革。作為動(dòng)力系統(tǒng)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行的重要核心技術(shù)，是世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展研究的領(lǐng)域之一。 沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速段很長(zhǎng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)必然長(zhǎng)時(shí)間工作在非設(shè)計(jì)點(diǎn)上，這導(dǎo)致進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管的參數(shù)協(xié)調(diào)極其困難，可能出現(xiàn)進(jìn)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(yīng)求就是供大于求。由于進(jìn)氣道和燃燒室之間工作特性不能相匹配，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能急劇下降。隨著來流馬赫數(shù)的進(jìn)一步提高，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍越來越寬，進(jìn)氣道、燃燒室和尾噴管之間的參數(shù)協(xié)調(diào)問題愈加明顯。需要探尋新的技術(shù)和方法來解決進(jìn)氣道與燃燒室之間的強(qiáng)耦合問題，并同時(shí)使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在更寬的馬赫數(shù)內(nèi)飛行。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)對(duì)新一代作戰(zhàn)飛機(jī)具有短距起降、超音速巡航、大作戰(zhàn)半徑、更強(qiáng)的生存能力、靈活的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性、高可靠性、低全壽命期費(fèi)用等的需求。因此必須提高吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)飛行等）是航空推進(jìn)系統(tǒng)不得不面對(duì)的一個(gè)重要問題，會(huì)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)造成直接的影響。例如沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的激波系統(tǒng)偏離唇口，造成進(jìn)氣道捕獲空氣性能下降；當(dāng)飛行器飛行攻角較大時(shí)，進(jìn)氣道出口的總壓的嚴(yán)重畸變會(huì)使得壓縮系統(tǒng)不穩(wěn)定工作（例如壓縮系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)失速、喘振、效率急劇降低等現(xiàn)象）；航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的負(fù)荷不斷增加，壓氣機(jī)葉片存在流動(dòng)分離，導(dǎo)致壓氣機(jī)性能下降。

1.2   基于等離子磁流體（MHD）加速技術(shù)在推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)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(chǎng)相互作用，在洛侖茲力（j×B）作用下實(shí)現(xiàn)加速過程。磁流體加速通道的工作依賴于電磁場(chǎng)布置和空氣電離水平，基本不受發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件的影響，可以在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料應(yīng)用水平下，實(shí)現(xiàn)能量的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化以獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增益。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度，在燃燒室中添加堿金屬元素可以提高燃?xì)獾某跏茧婋x水平，并采用大氣壓非平衡電離技術(shù)可以滿足壁面附近的氣流電離水平。由于電能和動(dòng)能屬于同一品質(zhì)的能量，電離的氣體在通道中實(shí)現(xiàn)電能→動(dòng)能的直接轉(zhuǎn)化，其能量轉(zhuǎn)化效率高�？紤]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(huì)在尾噴管中轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能。因此，從能量利用的角度評(píng)估，磁流體加速技術(shù)的能量利用率高。 

磁流體加速技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)已進(jìn)入航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究。來自載人航天和航空動(dòng)力裝置地面試驗(yàn)的需求，要在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)提供穩(wěn)定流動(dòng)的高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的電弧加熱方式中，由于氣體所能達(dá)到的總壓遠(yuǎn)低于所需水平，且過高的溫度會(huì)對(duì)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(shù)，證明了平衡和非平衡等離子體都能得到有效加速。美國(guó)空軍阿諾德工程開發(fā)中心以及 NASA 蘭利研究中心[5]都認(rèn)識(shí)到，對(duì)電弧加熱后噴出的氣體進(jìn)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(guó)外針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)開展了大量的研究，目前美國(guó)、俄羅斯和法國(guó)等在此技術(shù)領(lǐng)域所達(dá)到的技術(shù)成熟度較高，已研制出能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的高焓風(fēng)洞�？梢�，磁流體加速技術(shù)是可行的。

第2章   應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的磁流體系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1   引言

磁流體加速是指利用導(dǎo)電介質(zhì)作為載體，通入和流動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向相垂直的電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理利用電磁力加速或減速流體，從而達(dá)到宏觀控制流體的效果。

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

本章重點(diǎn)分析了磁流體加速通道的物理模型，并在一定的假設(shè)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)學(xué)抽象分析，進(jìn)行了直接施加電場(chǎng)、以負(fù)載形式施加兩種方式對(duì)不同負(fù)載條件下等直通道內(nèi)負(fù)載匹配與通道工作模式之間的關(guān)系進(jìn)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(shí)環(huán)境中MHD通道工作特征。

2.2   磁流體加速（MHDA）流場(chǎng)的模型及數(shù)值計(jì)算方法

2.2.1   物理模型

等離子體可以作為導(dǎo)電介質(zhì)，傳導(dǎo)電流的同時(shí)可以以流體狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)，物理模型如圖 2-1 所示。若在 y 方向施加一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電介質(zhì)切割磁感線會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向都相垂直的感應(yīng)電勢(shì)，形成感應(yīng)電流。在與流動(dòng)、磁場(chǎng)方向相垂直的 z 方向的兩個(gè)壁面各安置一個(gè)電極，連接外電路形成回路。當(dāng)電路中連入負(fù)載時(shí)，即消耗電能時(shí)，則 MHD通道為 MHDG 發(fā)電通道；當(dāng)電路中連入電源時(shí)，即向通道內(nèi)注入電能時(shí)，則MHD 通道為 MHDA 加速通道。

經(jīng)過調(diào)研與試驗(yàn)設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)介質(zhì)阻擋放電（DBD）產(chǎn)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(shù)學(xué)模型及假設(shè)條件

根據(jù)以上物理模型，為了簡(jiǎn)化分析，我們做如下假設(shè)：

1)  工質(zhì)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(jìn)出口截面均為緩變過流斷面；

4)  流體質(zhì)點(diǎn)只有 x 方向的速度分量，磁場(chǎng) B 只有 y 方向分量，霍爾效應(yīng)被忽略；

5)  等離子體電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)相比太小可以忽略不計(jì)。

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(dǎo)率視為定值。 這些假設(shè)盡管會(huì)引起真實(shí)設(shè)計(jì)不夠準(zhǔn)確，但是對(duì)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(shù)的機(jī)理試驗(yàn) ............ 57

3.1  引言 ............. 57

3.2  大氣壓放電方案的對(duì)比試驗(yàn) ..............57

3.2.1  大氣壓放電試驗(yàn)及特征 ......57

3.2.2  納秒脈沖電源參數(shù)的選擇.............61

第4章 應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的磁流體加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)......... 69

4.1  引言...................... 69

4.2  高溫燃?xì)饽�擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì).................. 69

4.2.1  燃?xì)獍l(fā)生器參數(shù)設(shè)計(jì)................. 70

4.2.2  點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì).......... 73

結(jié)論............94

第4章   應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的磁流體加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1   引言

第二章主要對(duì) MHD 加速進(jìn)行了一維、二維流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用Matlab 一維計(jì)算分析了 MHD 加速通道的三種工作模式及不同電磁場(chǎng)匹配下通道的工作過特性，并 Fluent 數(shù)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(yàn)系統(tǒng)中 MHD 系統(tǒng)的參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。第三章中對(duì)加速系統(tǒng)中氣體放電做了實(shí)驗(yàn)研究，找到合適的電離方案，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

很多情況下的 MHD 加速實(shí)驗(yàn)都是在微尺度上或是基于激波風(fēng)洞所產(chǎn)生的瞬時(shí)等離子體作為研究對(duì)象。但是面對(duì)等離子體在航空領(lǐng)域的應(yīng)用需求，需要在較大的時(shí)空尺度上實(shí)現(xiàn)等離子體的產(chǎn)生及維持。在地面試驗(yàn)中大氣壓環(huán)境下，空氣粒子的平均自由程較小，需要對(duì)空氣粒子施加很大的電場(chǎng)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(fù)合速度相當(dāng)快，在微秒量級(jí)，這使得地面試驗(yàn)中存在很多困難。

本章主要針對(duì)較大時(shí)空尺度的等離子體多為介質(zhì)，進(jìn)行磁流體加速的地面試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究。為了模擬加力燃燒室出口的高溫燃?xì)鈿饬�，進(jìn)行了地面試驗(yàn)中高溫燃?xì)饽�擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；面對(duì)磁流體加速中若干的關(guān)鍵技術(shù)：大體積等離子體的產(chǎn)生及維持、電磁場(chǎng)激勵(lì)系統(tǒng)、加速系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)方案，，進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)。

結(jié)論

面向MHD技術(shù)在推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用的需求，在黎明“×××”項(xiàng)目的支持下，開展了磁流體加速關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)的研究工作。分析了不同負(fù)載匹配下 MHD 通道的工作特性，對(duì)真實(shí)帶有背壓、粘性條件下的二維流場(chǎng)特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)了 MHD 通道內(nèi)流動(dòng)的特殊性；對(duì)加速所需的等離子體發(fā)生方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，展開了 MHD 加速系統(tǒng)中氣體放電的機(jī)理實(shí)驗(yàn)；并根據(jù)分析及機(jī)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的 MHD加速地面試驗(yàn)系統(tǒng)。得到如下結(jié)論：

1)  對(duì)于一個(gè)確定的通道入口參數(shù)及磁場(chǎng)強(qiáng)度，不同負(fù)載的匹配可以使MHD 通道工作在不同的模式下，進(jìn)而帶來不同的流場(chǎng)分布。存在一個(gè)臨界的電場(chǎng)Ecr使得通道內(nèi)的流動(dòng)可以穿過馬赫 1的限制；當(dāng)施加的電場(chǎng) E>Ecr時(shí)，通道工作在“超聲速”模式，通道內(nèi)的流動(dòng)最終會(huì)保持在一個(gè)超聲速的流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)施加的電場(chǎng)E<ecr時(shí)，通道工作在“壅塞”模式，通道內(nèi)的流動(dòng)最終會(huì)趨近于馬赫1，流動(dòng)達(dá)到壅塞。并且各個(gè)模式轉(zhuǎn)換的條件路徑并不是可逆的。在帶有真實(shí)環(huán)境的mhd通道流場(chǎng)模擬中發(fā)現(xiàn)，mhd作用的存在可以有效地抑制附面層的分離，進(jìn)而可以承載一定的抗反壓能力。基于上述的流場(chǎng)特性分析，我們進(jìn)行了面向渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的 mhd加速系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，在來流分別為="" 0.4馬赫，電導(dǎo)率為0.1s·m-1，電場(chǎng)為="" 50kv·m-1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)="" 10%的加速效果。<="" p="">

2)  通過設(shè)計(jì)針板放電、板板放電、針板介質(zhì)阻擋放電、板板介質(zhì)阻擋放電、惰性氣體射流激勵(lì)板板介質(zhì)阻擋放電等多種等離子體發(fā)生裝置方案，并對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)裸電極的放電可以很容易達(dá)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(duì)放電效果的影響很明顯，但是并不能起到預(yù)電離的效果；板板介質(zhì)阻擋放電的效果較好，可以得到較均勻的放電，但是對(duì)電源參數(shù)的要求很高。

3)  在得到合適的電離方案后，進(jìn)行了電源參數(shù)對(duì)放電影響的實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)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(fù)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(shí)均電導(dǎo)率；窄的脈寬使得局部的放電同時(shí)發(fā)生，這也有利于均勻放電。

參考文獻(xiàn)（略）