唐路 ， 劉保林 ， 夏琦 ， 黃銘冶， 彭愛武*

(1.中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院， 北京 100049)

磁流體(magnetohydrodynamics, MHD)發(fā)電是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，在電磁場(chǎng)作用下，可以從發(fā)電通道中流動(dòng)的導(dǎo)電流體(等離子體、液態(tài)金屬等)中提取電能。由于 MHD 發(fā)電機(jī)沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，相比傳統(tǒng)或其他能量轉(zhuǎn)換裝置[1-2]，發(fā)電系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本相當(dāng)?shù)蚚3]。近年來，隨著等離子體電離、強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)及磁流體發(fā)電的理論、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究深入，磁流體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多元化應(yīng)用研究，其中包括了液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)[4-5]、直線型等離子體磁流體發(fā)電機(jī)[6-7]、盤式磁流體發(fā)電機(jī)[8-9]等。

盤式磁流體發(fā)電機(jī)將注入的工作氣體在超音速噴管中加速到一定的馬赫數(shù)，通過發(fā)電通道內(nèi)自激焦耳熱轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶鈶B(tài)等離子體狀態(tài)。因此，這種產(chǎn)生的高速、高電導(dǎo)率非平衡態(tài)等離子體在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下可以實(shí)現(xiàn)高功率輸出。中國科學(xué)院電工研究所等單位通過長分段電弧加熱器驅(qū)動(dòng)的盤式磁流體發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)證實(shí)了其高發(fā)電性能[10]。故而，因其熱效率高、功率密度大、可降低系統(tǒng)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在空間核能發(fā)電裝置[11-12]、磁流體加速和推進(jìn)[13-14]等航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

盤式 MHD 發(fā)電系統(tǒng)中噴嘴的自激焦耳熱、負(fù)載電阻、陽極位置、發(fā)電通道形狀、操作條件等都會(huì)對(duì) MHD 發(fā)電通道內(nèi)流場(chǎng)、等離子體的電離穩(wěn)定性及發(fā)電性能產(chǎn)生很大的影響。Sakamoto 等[15]對(duì)熱輸入為1 GW 的大型非平衡盤式 MHD 發(fā)電機(jī)進(jìn)行軸對(duì)稱二維磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值分析，研究了超音速噴嘴總壓損失對(duì)等熵效率的影響。數(shù)值分析結(jié)果表明，超音速噴嘴處大部分總壓損失主要是由于等離子松弛區(qū)域自激焦耳熱引起，通過增加超音速噴嘴上游的陽極寬度，可以有效減少自激焦耳熱引起的總壓損失，提高等熵效率。Fang 等[16]基于非穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)一維數(shù)值模擬，當(dāng)盤式 MHD 發(fā)電通道結(jié)構(gòu)及入口條件確定時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)存在最佳陽極位置可以有效抑制等離子體的非平衡電離不穩(wěn)定性，最大化發(fā)電機(jī)的焓提取率。Masuda 等[17]通過實(shí)驗(yàn)探索了噴嘴負(fù)載電阻和氣體滯止壓力對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)電通道出口與喉部面積比較小的發(fā)電機(jī)中，較高的噴嘴負(fù)載電阻可以提高通道的發(fā)電性能，隨著氣體滯止壓力的增加，焓提取率略微增加，且進(jìn)出口總壓比增加，由壁面摩擦所引起的壓力損失相對(duì)減少，發(fā)電通道的絕熱效率會(huì)顯著增加。Tanaka等[18]對(duì)預(yù)電離惰性氣體的盤式 MHD 發(fā)電機(jī)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，揭示了噴嘴中自激焦耳熱對(duì)發(fā)電性能的影響。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，噴嘴中電離度增加，通道內(nèi)最佳電導(dǎo)率下降，相對(duì)應(yīng)的最佳預(yù)電離功率下降，在高磁感應(yīng)強(qiáng)度和較低預(yù)電離功率下，可以提供強(qiáng)自激焦耳熱并抑制洛倫磁力過度增加導(dǎo)致的碰撞損失，可以極大化發(fā)電通道的焓提取率。Suzuki 等[19]通過二維數(shù)值模擬研究了發(fā)電通道形狀和操作條件對(duì)盤式 MHD 發(fā)電機(jī)的發(fā)電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，高磁感應(yīng)強(qiáng)度、低入口壓力及發(fā)電機(jī)出口與噴嘴喉部面積比減小有助于實(shí)現(xiàn)高焓提取率及等熵效率。

超音速噴嘴通過先收縮后擴(kuò)張的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)工作氣體加速，其中喉部作為實(shí)現(xiàn)亞音速至超音速跨越的關(guān)鍵，同時(shí)通過自激焦耳熱效應(yīng)對(duì)等離子體起到非平衡電離作用，噴嘴喉部結(jié)構(gòu)及參數(shù)發(fā)生變化，將直接影響發(fā)電機(jī)性能。因此探究噴嘴喉部面積對(duì)盤式 MHD 發(fā)電性能影響的內(nèi)在機(jī)理，并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)就顯得尤為重要?，F(xiàn)通過研究噴嘴的盤式發(fā)電通道、基于磁流體動(dòng)力學(xué)雙溫模型利用非穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)一維數(shù)值模擬求解非平衡態(tài)等離子體的磁流體動(dòng)力學(xué)方程、麥克斯韋方程和氣體狀態(tài)方程、噴嘴喉部面積對(duì)盤式發(fā)電通道內(nèi)磁流體流動(dòng)特性及等離子體非平衡電離特性的影響，獲得發(fā)電性能最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的噴嘴喉部面積，以期為等離子體非平衡電離穩(wěn)定性研究及盤式磁流體發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 工作原理

圖1為盤式磁流體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，主要由進(jìn)氣管、超音速噴嘴、MHD 發(fā)電通道、陽極、陰極等組成，工作氣體(惰性氣體氬氣、堿金屬種子銫)沿圓盤中心流入，由外圓周流出[20-21]。其發(fā)電基本原理，徑向(r軸)流動(dòng)的等離子體流與軸向(z軸)外磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生切向(θ軸)法拉第電流，由于電子的質(zhì)量比重粒子輕得多，更易于吸收焦耳熱，使得電子溫度大幅提升，遠(yuǎn)高于氣體溫度，形成非平衡電離，可以在較低的氣體溫度下獲得較高電導(dǎo)率，發(fā)電機(jī)性能大幅度提高。通過位于圓盤中心的陽極及外圓周陰極提取霍爾電流，實(shí)現(xiàn)磁流體能量轉(zhuǎn)換。

圖1 盤式磁流體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of a disk MHD generator

2 物理模型及邊界條件

2.1 發(fā)電機(jī)模型

為簡化數(shù)值計(jì)算，假設(shè)氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)、電參數(shù)沿發(fā)電機(jī)切向及高度方向是常數(shù)，且呈對(duì)稱分布，利用非穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)一維數(shù)值模擬方法展開分析研究。盤式磁流體發(fā)電機(jī)的計(jì)算區(qū)域如圖2所示，數(shù)值計(jì)算條件如表1所示，氣流沿徑向從噴嘴入口至發(fā)電通道出口，陽極、陰極均為環(huán)形電極，金屬導(dǎo)電壁面，電場(chǎng)被短路，其余壁面均為絕緣壁面條件。

圖2 盤式磁流體發(fā)電機(jī)的計(jì)算區(qū)域Fig.2 Calculation region of the disk MHD generator

表1 數(shù)值計(jì)算條件

數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目為591，即沿r方向網(wǎng)格平均步長為0.2 mm，同時(shí)為滿足CFL的求解條件，求解時(shí)間步長為0.01 μs。保持噴嘴的喉部半徑 (r=68 mm)及其他尺寸參數(shù)不變，喉部面積(throat area,At) 大小(范圍為864～2 240 mm2) 僅通過改變喉部的高度來決定，數(shù)值模擬計(jì)算陽極r=73～76 mm(3 mm)，陰極r=164～170 mm(6 mm)。外部磁場(chǎng)垂直于發(fā)電機(jī)盤面且均勻作用于整個(gè)發(fā)電計(jì)算區(qū)域，數(shù)值計(jì)算從噴嘴入口至發(fā)電通道出口的磁流體流動(dòng)特性、等離子體非平衡電離特性和發(fā)電機(jī)性能。

2.2 邊界條件

(1)入口邊界條件：假設(shè)噴嘴入口處的熱源狀態(tài)保持不變，滯止壓力、滯止溫度固定，不考慮氣體的切向速度，初始迭代時(shí)徑向速度、靜壓和靜溫通過氣體等熵關(guān)系求解。

(2)噴嘴入口處電子溫度設(shè)為3 000 K，通過Saha平衡方程計(jì)算電子數(shù)密度。

(3)出口邊界條件：陰極出口氣體自由流出，不考慮通道出口背壓的影響。

(4)壁面邊界條件：發(fā)電通道內(nèi)壁面無滑移，壁溫恒定設(shè)為500 K[22]。

3 數(shù)值分析

對(duì)流體近似的磁流體動(dòng)力學(xué)雙溫模型，結(jié)合磁流體氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)、等離子體電參數(shù)基本方程及理想氣體狀態(tài)方程[23]。盤式磁流體發(fā)電系統(tǒng)在圓柱坐標(biāo)系下的重粒子系統(tǒng)、電子系統(tǒng)遵循以下MHD流動(dòng)控制方程。

3.1 重粒子系統(tǒng)方程

重粒子系統(tǒng)滿足包含洛倫磁力和焦耳熱源項(xiàng)的非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

?·j=0

(5)

?×E=0

(6)

式中：ρ為氣體密度;Ur為氣體徑向速度;Uθ為氣體切向速度;A為通道截面積;p為氣體靜壓;part為人工黏度;PLoss為壁面摩擦力;jr為霍爾電流密度;jθ為法拉第電流密度;Bz為z向磁感應(yīng)強(qiáng)度;Cv為定容比熱容;Tg為氣體溫度;σ為電導(dǎo)率;QLoss為壁面熱損失;j為電流密度矢量;E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量; 下角標(biāo)r、θ、z分別為r、θ、z方向分量。

3.2 電子系統(tǒng)方程

非平衡等離子體采用雙溫度模型描述，由惰性氣體原子、惰性氣體離子和電子組成，非平衡等離子體反應(yīng)包括三體復(fù)合和電子碰撞電離。

(7)

(8)

ne=nAr++nCs+

(9)

(10)

(11)

noble gas,ion,i=seed,noble gas

(12)

4 結(jié)果與分析

通過分析噴嘴喉部面積對(duì)發(fā)電性能的影響，數(shù)值模擬研究盤式發(fā)電通道內(nèi)磁流體流動(dòng)特性及等離子體非平衡電離特性，為提高盤式磁流體發(fā)電機(jī)的焓提取率提供最佳喉部面積。

4.1 發(fā)電機(jī)性能

盤式磁流體發(fā)電機(jī)的性能通常使用焓提取率和等熵效率進(jìn)行評(píng)估，其輸出功率定義為霍爾電壓與霍爾電流的乘積：

(13)

(14)

(15)

式中：rin、Ain和Vin分別為發(fā)電通道入口處半徑、面積和體積;rout和Aout、Vout分別為發(fā)電通道出口處半徑、面積和體積;K為負(fù)載系數(shù);V為盤式發(fā)電通道體積;IH、VH和Pout分別為霍爾電流、電壓和輸出功率。

焓提取率定義為輸出功率與輸入熱焓之比。

(16)

TI=mCpTstag

(17)

式中：EE為焓提取率; TI為輸入熱焓;m為質(zhì)量流量;Cp為定壓熱容;Tstag為滯止溫度。

等熵效率是實(shí)際焓降與等熵焓降的比值，用以衡量實(shí)際工程過程與等熵過程焓的變化比率。

(18)

式(18)中：Psin和Psout分別為發(fā)電機(jī)入口和出口滯止壓力;γ為比熱比。

圖3為盤式磁流體發(fā)電機(jī)的焓提取率和等熵效率隨噴嘴喉部面積變化。發(fā)電性能隨噴嘴喉部面積變化呈先增加后減少的趨勢(shì)，在最佳喉部面積時(shí)焓提取率最大，小于或大于最佳喉部面積時(shí)，發(fā)電機(jī)性能都會(huì)下降。當(dāng)喉部面積從Atmin= 864 mm2逐漸增加至Atoptimal=1 440 mm2,Atmax=2 240 mm2時(shí)，盤式磁流體發(fā)電通道焓提取率從19.99% 增加至26.30%、18.39%, 相對(duì)應(yīng)等熵效率分別為38.59%、50.34%和41.59%。

圖3 喉部面積對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響Fig.3 Effect of throat area on the generator performance

圖4 盤式磁流體發(fā)電機(jī)輸出特性Fig.4 Output characteristics of disk MHD generator

圖5 磁流體動(dòng)力學(xué)特性沿流動(dòng)方向分布Fig.5 Distribution of MHD behavior along the flow direction

圖4(a)和圖4(b)分別為不同噴嘴喉部面積(At=1 120、1 440、1 760、2 080 mm2為例)時(shí)電勢(shì)及霍爾電流密度沿徑向分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著喉部面積增加，發(fā)電通道輸出霍爾電壓增大，且有趨向于飽和的趨勢(shì)。當(dāng)喉部面積At=1 440 mm2時(shí)，輸出霍爾電壓為450 V，喉部面積At=1 760 mm2和2 080 mm2時(shí)，輸出霍爾電壓為475 V左右。而對(duì)于霍爾電流密度分布，在盤式發(fā)電通道有效段徑向位置r=76～105 mm區(qū)域，隨喉面積增加呈減小趨勢(shì)，而在徑向位置r=105～164 mm區(qū)域，霍爾電流密度受喉部面積變化影響較小，整個(gè)磁流體發(fā)電有效區(qū)域內(nèi)，喉部面積At=1 440 mm2時(shí)，其相應(yīng)的發(fā)電通道內(nèi)霍爾電流密度較大。此外，由于喉部面積增加，由式(17) 可知，通道質(zhì)量流量增加會(huì)引起通道入口熱焓增加，這也解釋了喉部面積并不是越大越好，存在最佳喉部面積使盤式發(fā)電通道焓提取率最優(yōu)。

法拉第電流密度沿徑向分布如圖4(c)所示?？梢钥闯?，喉部截面積增加，發(fā)電通道內(nèi)法拉第電流密度會(huì)逐漸增加。噴嘴喉部面積At=1 440 mm2時(shí)，MHD發(fā)電有效段法拉第電流密度在0.14 MA/m2左右，喉部面積At=1 760 mm2時(shí)，法拉第電流密度在0.16 ～ 0.36 MA/m2，喉部面積At=2 080 mm2時(shí)，法拉第電流密度在0.24～0.48 MA/m2，主要是由于增強(qiáng)的磁流體效應(yīng)，會(huì)影響發(fā)電通道內(nèi)部磁流體流動(dòng)及等離子體非平衡電離特性，改變電流密度分布，尤其是較大的喉部面積時(shí)，MHD發(fā)電有效段內(nèi)法拉第電流密度會(huì)出現(xiàn)突然下降。

為進(jìn)一步揭示圖3和圖4中噴嘴喉部面積對(duì)發(fā)電機(jī)性能影響的物理現(xiàn)象，研究中給定盤式發(fā)電通道型線和氣體滯止?fàn)顟B(tài)，通過分析喉部面積變化對(duì)磁流體流動(dòng)特性及等離子體電離特性，研究盤式發(fā)電通道磁流體動(dòng)力學(xué)內(nèi)部機(jī)理。

4.2 磁流體流動(dòng)特性

圖5為不同噴嘴喉部面積時(shí)，磁流體動(dòng)力學(xué)特性沿流動(dòng)方向分布。發(fā)電通道內(nèi)氣體由于靜壓降大于洛倫磁力而加速，當(dāng)喉部面積(At=1 120 mm2)較小時(shí)，盤式通道內(nèi)受到的洛倫磁力較小，氣體靜壓呈緩慢光滑下降，氣體維持在較高的馬赫數(shù)，為超音速流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的熱電轉(zhuǎn)換效率較低。喉部面積(At=1 440 mm2)增加時(shí)，發(fā)電通道內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量增加，種子Cs的含量也會(huì)提高，有利于增加發(fā)電通道中電子與低電離種子Cs原子的碰撞電離幾率，提高了等離子體的導(dǎo)電性[圖5(c)]，法拉第電流密度會(huì)增加，使得磁流體效應(yīng)增強(qiáng)，發(fā)電機(jī)性能提升，熱電轉(zhuǎn)換效率提高。發(fā)電通道內(nèi)洛倫磁力增加，氣體會(huì)逐漸減速，雖然發(fā)電通道出口(陰極入口)處的馬赫數(shù)從1.712降低為1.214，但發(fā)電通道中氣體仍舊維持在較高的超音速流動(dòng)狀態(tài)，馬赫數(shù)分布在1.2～1.8的范圍內(nèi)，相應(yīng)氣體流速在930 ～ 1 020 m/s。此時(shí)氣體靜壓出現(xiàn)小幅增加，但并沒有產(chǎn)生明顯激波作用，抑制了流動(dòng)速度提高的同時(shí)可以減少氣體流動(dòng)損失，可以保障發(fā)電機(jī)具有較高輸出能力。但是當(dāng)喉部面積進(jìn)一步增加時(shí)，此時(shí)發(fā)電通道內(nèi)磁流體流動(dòng)特性將受到顯著影響，主要是由于增強(qiáng)的磁流體效應(yīng)會(huì)致使等離子產(chǎn)生較大的反向洛倫磁力，氣流受到壓縮作用產(chǎn)生強(qiáng)激波，使得氣體靜壓 、靜溫驟升，氣體馬赫數(shù)、速度降低。喉部面積At=1 760 mm2時(shí)，激波產(chǎn)生于徑向位置r=119 mm處，喉部面積進(jìn)一步增加，激波產(chǎn)生位置會(huì)向發(fā)電通道入口處移動(dòng)，喉部面積At=2 080 mm2時(shí)，強(qiáng)激波徑向生成位置r=92 mm。這表明喉部面積較大時(shí)，通道內(nèi)強(qiáng)激波的作用雖然可以使等離子體的導(dǎo)電性增加，但此時(shí)氣流降為亞音速流動(dòng)，速度減小，會(huì)使發(fā)電機(jī)性能下降，熱電轉(zhuǎn)換效率降低。

因此，隨著喉部面積增大，發(fā)電通道中法拉第電流密度增大，磁流體效應(yīng)增強(qiáng)，作用在等離子體上的反向洛倫茲力加大，使得等離子體不斷減速, 馬赫數(shù)降低，發(fā)電通道內(nèi)靜壓提高，易于形成強(qiáng)激波，且激波產(chǎn)生位置朝向發(fā)電通道內(nèi)前移，等離子體的亞音速流動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，從而會(huì)惡化盤式磁流體發(fā)電機(jī)性能。

圖6 等離子體電離特性沿流動(dòng)方向分布Fig.6 Distribution of plasma ionization characteristics along the flow direction

4.3 等離子體電離特性

圖6為不同喉部面積時(shí)電子溫度、種子Cs電離度和等離子體的電導(dǎo)率沿流動(dòng)方向分布。從圖6(a)可知在MHD發(fā)電通道的陽極位置，電子溫度較低，主要是由于盤壁面環(huán)形陽極導(dǎo)電，相當(dāng)于短路，導(dǎo)致等離子體內(nèi)部沿徑向霍爾電流增加，增大的霍爾電流與磁場(chǎng)相互作用會(huì)產(chǎn)生周向洛倫磁力抑制等離子體流動(dòng)速度增加，進(jìn)而會(huì)降低周向的法拉第電流密度，會(huì)使得電子獲得焦耳熱加熱效應(yīng)減弱，電子溫度下降，由于低能電子增多，會(huì)增強(qiáng)電子與離子的復(fù)合反應(yīng)，使種子Cs電離度下降，等離子體的電導(dǎo)率降低。當(dāng)?shù)入x子體進(jìn)入至發(fā)電通道，電子溫度呈上升趨勢(shì)。主要是由于發(fā)電通道內(nèi)等離子體與外負(fù)載電阻構(gòu)成閉合電回路，會(huì)減小發(fā)電通道內(nèi)的霍爾電流，周向洛倫磁力對(duì)等離子體速度抑制作用減弱，流速增加，使得法拉第電流密度增大，焦耳熱增多，電子溫度上升。隨著高能電子的增加，電子與離子的復(fù)合作用減弱，促進(jìn)了種子Cs的碰撞電離，使得種子Cs從陽極區(qū)域的不完全電離逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆婋x狀態(tài)[圖6(b)]。

隨著喉部面積增加，增強(qiáng)的磁流體效應(yīng)使得發(fā)電通道內(nèi)靜壓[圖5(a)]升高，使得電子的自由行程縮短，電子與其他粒子的碰撞時(shí)間更短，顯著增大電子與其他粒子的碰撞頻率，改變電子在磁場(chǎng)作用下的遷移能力，影響發(fā)電機(jī)效率。當(dāng)喉部面積增加至At=1 760 mm2/2 080 mm2時(shí)，此時(shí)磁流體發(fā)電通道內(nèi)法拉第電流密度增加[圖4(c)]，等離子體磁流體效應(yīng)增強(qiáng)，靜壓升高同時(shí)靜溫也會(huì)提高，激波作用過后的等離子體導(dǎo)電性增強(qiáng)，但是會(huì)使得電子與其他粒子碰撞而損失能量，電子溫度降低，使發(fā)電通道內(nèi)部電子溫度發(fā)生顯著波動(dòng)，種子Cs電離度會(huì)下降，氣體速度驟降為亞音速，不利于發(fā)電機(jī)性能提升。

因此，喉部面積較小時(shí)，雖然發(fā)電通道內(nèi)等離子體可以維持在較高的馬赫數(shù)，但由于其磁流體效應(yīng)弱，熱電轉(zhuǎn)換效率低；喉部面積較大時(shí)，增強(qiáng)的磁流體效應(yīng)，使得發(fā)電通道靜壓升高，易產(chǎn)生強(qiáng)激波，使得等離子體流速下降，馬赫數(shù)降低，雖然激波過后等離子體的電導(dǎo)率提高，但是其氣流為亞音速流動(dòng)，同樣會(huì)降低發(fā)電性能，焓提取率下降。故而，存在最佳噴嘴喉部面積使得等離子體為超音速流動(dòng)，電子溫度適中，電導(dǎo)率較高，發(fā)電機(jī)性能最優(yōu)(高焓提取率和等熵效率)。

5 結(jié)論

通過對(duì)非平衡盤式磁流體發(fā)電機(jī)開展準(zhǔn)一維數(shù)值模擬研究，盤式通道處于不同的噴嘴喉部面積，分析其磁流體流動(dòng)及等離子體電離特性，揭示了影響發(fā)電機(jī)性能的內(nèi)在機(jī)理，得到如下結(jié)論。

(1)對(duì)于確定的出入口邊界條件、外加磁場(chǎng)及盤式通道結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過調(diào)整喉部高度改變喉部面積，存在最佳噴嘴喉部面積(At= 1 440 mm2)使得發(fā)電性能最優(yōu)，焓提取率、等熵效率最高(EE=26.30%,IE=50.34%)。

(2)通過調(diào)整喉部面積，研究發(fā)現(xiàn)較小喉部面積時(shí)等離子體可以維持較高的馬赫數(shù)，但其磁流體效應(yīng)弱，熱電轉(zhuǎn)換效率低；較大喉部面積有助于增強(qiáng)磁流體效應(yīng)，發(fā)電通道內(nèi)易產(chǎn)生強(qiáng)激波作用，影響等離子體的電離特性，使氣體處于亞音速流動(dòng)狀態(tài)，發(fā)電性能同樣會(huì)惡化；因而適宜喉部面積可提高等離子體非平衡電離穩(wěn)定性并維持超音速流動(dòng)，提升發(fā)電機(jī)性能。

這項(xiàng)數(shù)值研究的結(jié)果對(duì)于開展盤式磁流體發(fā)電實(shí)驗(yàn)具有重要的價(jià)值和指導(dǎo)意義，可以為磁流體發(fā)電工作條件的評(píng)估提供基礎(chǔ)。