直流磁流体推进系统的研究

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磁流体(MHD)推进应用于船舶推进是一场创造性革命,引起了世界造船界和电工界极大的震惊和关注。它利用电磁力使海水运动而产生推力推进船舶运动,由于取消了常规的螺旋桨、喷水推进等转动机构,消除了由转动机构引起的震动和噪声,也消除了由螺旋桨空泡现象带来的种种危害,具有安静推进的优点和实现高速推进的能力;此外,由于利用调节电压来控制运动,具有操纵方便、机动灵活的优势。 磁流体推进是一项高新技术,本文全面系统地总结了该领域的研究进展和研究现状,讨论了各种磁流体推进方式的运行机理和应用前景,着重研究了直流磁流体推进的基本原理,建立了描述其运行机理的数学模型,基本方程、稳态运行方程、功率平衡方程和效率方程。 磁流体推进系统的流场为湍流场,研究了湍流流动特性,湍流问题是流体力学中尚未解决的最复杂的理论之一,湍流运动基本方程组是不封闭的,湍流模式理论提出用半经验假设作为补充方程,作者将k-ε流场计算模型引入到磁流体推进耦合场的计算中,可实现对湍流场精确的数值计算,数值模拟方法采用SIMPLE算法,是众多有限元商业软件的核心。 研究了磁流体推进有限元求解的原理和方法,在国内首开用有限元软件仿真直流磁流体推进问题的先河,为克服在有限元软件ANSYS中不能直接在磁场边界条件直接定义磁感应强度这一难题,提出基于矢量磁位的定理4.1,用于建立匀强磁场。用有限元方法对直流磁流体推进器做了三维三场耦合仿真分析,在此基础上,研究了推进器的端部效应、电极最优长度和哈特曼效应。 从动量和能量守恒出发,以获得最佳效率为目标,研究了直流磁流体推进器的各种几何参数,提出了推进器最优模型和电磁体最优配置,并进行二维水力计算,验证了磁流体推进耦合场计算依据的合理性。
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