横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252015V01．36No．113549．3556ISSN1000．6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．013横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响吕浩宇1’*，甄华萍2，李椿萱3，张义宁41．北京航空航天大学宇航学院，北京1001912．北京航天长征飞行器研究所，北京1000763．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001914．北京动

2、力机械研究所激光推进及其应用国家重点实验室，北京100074摘要：通过三维数值模拟研究了不同横截面形状的磁流体(MHD)发生器的热、电磁流动特性，发生器入口采用超声速来流条件，旨在应用于磁流体旁路超燃冲压发动机推进系统。数值模拟采用低磁雷诺数下磁流体五方程模型，通过熵条件格式和超松弛迭代(SOR)法联合算法分别求解Navier-Stokes方程组和电势方程。研究表明在电极壁面上电场、电流以及洛伦兹力等电磁场参数呈周期性变化，由于电极端点效应，电磁场参数在电极端点出现周期性的极值，而在管道中心电极端点

3、效应对电流影响并不大，沿着流向电流保持连续变化。对不同管道横截面形状的发生器的数值模拟表明：由于涡电流和二次流效应的影响，形状参数较小的发生器焦耳热较为严重，二次流较弱；而形状参数较大的发生器焦耳热较小，二次流增强。因此，当形状参数a=0．8时可获得较好的焓提取率和电效率。关键词：高超声速飞行器；磁流体发生器；数值模拟；横截面形状；形状参数中图分类号：V211．1+2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)11—3549—08磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，MH

4、D)在高超声速飞行器上的应用近年来受到了国内外的重视，为此开展了一系列理论、数值模拟及实验研究工作，并取得了很好的成果。目前，其研究方向主要包括磁控进气道、磁流体发电、磁流体加速，以及在高超声速飞行器前体应用磁流体效应来控制高热流等口_8]。俄罗斯在20世纪90年代就提出了一种基于磁流体能量旁路的组合推进系统用以实现高超声速飞行，命名为“AJAX”计划[1q]。受到电导率、磁场以及复杂本构模型的制约，对磁流体旁路超燃冲压发动机的数值模拟研究工作主要集中在针对可行性研究和简单参数研究的准一维流路(St

5、reampath)计算口1和近似的三维数值模拟研究[1“15]。磁流体发生器是“AJAX”计划中的关键部件，其不仅提取进入进气道高温空气中的能量，降低在超声速下进入燃烧室的气体总焓，从而提高高马赫数飞行的现实性，同时还将空气中的总焓转化为电能，并将电能分配给机载设备、外等离子体发生器以及磁流体加速器等设备，将进入进气道的高温高马赫数气体所携带的能量得到充分应用[1‘2]。因此在开展磁流体旁路超燃冲压发动机技术研究之前应该对磁流体发生器和磁流体加速器的热、电磁流动特性给予充分研究。将磁流体发生器装配到

6、超然冲压发动机推进系统中，需要考虑发生器横截面形状的匹配问收稿日期：2014-12-19；退修日期：2015-01-30；录用日期：2015-02-09；网络出版时间：2015—03—2310：03网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．1929．V20150323．1003001．html基金项目：国家自然科学基金(11372028)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者Tel．：010-82339026E-mail：Ivhy’@buaa．edu．ca引用格武ILyu

7、HY．ZhanHP．LeeCH．etaLInfluenceofcross-sectionalshapeOntheperformanceofsupersonicmagnotohydrodynamicgeneratorfJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015·36(11)：3549-3556．g浩宇．甄华萍．李椿萱，等．横截面形状对超声速的磁流体发生器性能曲影响￡JI．航空学报．2015．36(11)：3549-3556．航空学报Nov．252015VoI

8、．36No．11题乜]。文献[12，16]对不同管道形状的磁流体发生器进行了比较研究，通过对满足真实实验需求布置电极的法拉第型磁流体发生器的三维数值模拟，表明直方管道相较于压缩和扩张管道有较好的性能优势，其原理是横截面上二次流引发的流向电流对发生器性能的影响。流向电流会导致切向的洛伦兹力，使得有效做功减小，发生器的发电效率降低。通过上述对二次流影响的研究，可以推测，不同横截面形状的发生器的性能和电磁、流场相互作用特性会有不同[1“。一方面，由于发生器正极与负极之间距离