种豆资源网

当前位置:首页 > 百科 > 百科综合 / 正文

电磁加速风洞

(2020-05-13 17:54:46) 百科综合
电磁加速风洞

电磁加速风洞

电磁流体力学(MHD)技术在工程学领域的套用,过去主要是以地面大容量高效率发电为目标,最近以航空航天领域的套用为目标的研究越来越盛行。

现在,正常工作的大型MHD加速风洞只有俄罗斯的茹科夫斯基空气流体动力学研究所(200kW ~300kW)的同轴电孤方式,外加磁场2.5T,驻点温度3 700K左右,驻点压力约0.3MPa,气流速度约8km/s,美国的NASA认识到这种风洞的重要性,在马歇尔空间飞行中心根据电磁流体力学增加推力试验(MAPX)计画正在积极建造MHD加速风洞。

基本介绍

  • 中文名:电磁加速风洞
  • 外文名:magnetohydrodynamic wind tunnel
  • 一级学科:航空航天
  • 二级学科:空气动力学
  • 风洞:飞行器研製中的不可缺少的部分
  • 类型:飞行术语

简介

电磁流体力学(MHD)技术在工程学领域的套用,过去主要是以地面大容量高效率发电为目标,最近以航空航天领域的套用为目标的研究越来越盛行。
电浆MHD技术在航空航天领域的套用之一,是电浆工程学教科书中很早介绍的MHD加速器。其原理非常简单,磁场B被外加到管道内从外部强制流入电流,利用劳伦兹力来加速气流。作为模拟再入大气层时的高焓高超声速流的装置,一般都採用电孤加热型或感应耦合加热型电浆风洞。在这些风洞中,用气动喷管加速贮气槽生成的高温、高压电浆,然后用MHD加速器进一步进行电磁力学加速,在不改变贮气槽的热、压力条件下有可能提高试验气流的速度和热焓。现在,正常工作的大型MHD加速风洞只有俄罗斯的茹科夫斯基空气流体动力学研究所(ЦАГИ)(200kW ~300kW)的同轴电孤方式,外加磁场2.5T,驻点温度3 700K左右,驻点压力约0.3MPa,气流速度约8km/s,美国的NASA认识到这种风洞的重要性,在马歇尔空间飞行中心根据电磁流体力学增加推力试验(MAPX)计画正在积极建造MHD加速风洞。该装置不仅作为MHD加速风洞,还将作为探讨用MHD加速器对未来宇宙航行用大推力推进器研究的基础试验装置。

风洞

世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆(E.Mariotte)于1869~1871年建成,并测量了物体与空气相对运动时受到的阻力。它是一个两端开口的木箱,截面45.7厘米×45.7厘米,长3.05米。美国的O.莱特和W.莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前,于1900年建造了一个风洞,截面40.6厘米×40.6厘米,长1.8米,气流速度40~56.3千米/小时。1901年莱特兄弟又建造了风速12米/秒的风洞,为他们的飞机进行有关的实验测试。
风洞的大量出现是在20世纪中叶。到目前为止,中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。
风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具。它的产生和发展是同航空航天科学的发展紧密相关的。风洞广泛用于研究空气动力学的基本规律,以验证和发展有关理论,并直接为各种飞行器的研製服务,通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如50年代美国B-52型轰炸机的研製,曾进行了约10000小时的风洞实验,而80年代第一架太空梭的研製则进行了约100000小时的风洞实验。
设计新的飞行器必须经过风洞实验。风洞中的气流需要有不同的流速和不同的密度,甚至不同的温度,才能模拟各种飞行器的真实飞行状态。风洞中的气流速度一般用实验气流的马赫数(M数)来衡量。风洞一般根据流速的範围分类:M<0.3的风洞称为低速风洞,这时气流中的空气密度几乎无变化;在 0.3<M<0.8 範围内的风洞称为亚音速风洞,这时气流的密度在流动中已有所变化; 0.8<M<1.2 範围内的风洞称为跨音速风洞;1.2<M<5範围内的风洞称为超音速风洞;M≥5的风洞称为高超音速风洞。风洞也可按用途、结构型式、实验时间等分类。

气体电离方式

磁流体加速技术的套用,一个重要的前提条件是流体必须具有一定的电导率(产生一定的电浆)。对于空气来说,当温度小于2100K时,气体几乎不具有导电性,只有当温度达到4000K以上时,才能达到可用的电导率。产生导电流体需要使气体电离,电离主要有两种方式:一是平衡电离(Equilibriumionization);二是非平衡电离(Non-equilibrium ionization)。
上世纪70年代,俄罗斯中央空气动力研究院採用平衡电离方法,通过向高温试验气体中添加电离种子NaK(液态金属),成功研製了小型高超声速磁流体加速风洞。由于採用平衡电离方式,需要向气流中加入硷金属电离种子,试验气体的组分发生变化,只能用于部分模拟所需的高超声速试验条件,无法复现高超声速飞行。近年来,随着人工电离技术的进步,各种新的电浆产生方法正在发展之中,特别是非平衡电离技术的快速发展,如高压场致电离、电子束电离、微波电离等,使得对低温超声速气流进行非平衡电离成为可能。由于非平衡电离产生的电子、离子在很短时间内重新複合,与平衡电离方式相比,非平衡电离方式不改变空气组分。

基于电磁能量的磁流体加速风洞

现有的高超声速风洞,由于受加热器加热温度限制,在长时间飞行复现方面总是存在不足,存在加热温度低(电加热)、或试验气体组分发生改变(燃烧加热)、或试验时间短(激波风洞、活塞风洞和热冲风洞等)的问题,均无法满足温度、压力、速度和化学组分等试验参数同时匹配。
为了复现高超声速飞行气流条件,李益文等提出一种基于电磁能量的磁流体加速风洞,针对气体电离及能量注入等磁流体加速风洞的核心问题,开展了非平衡电离及能量注入初步实验研究。结果表明採用电容耦合射频放电电离方式能够在超声速气流中产生非平衡电浆;通过在电浆两端加直流偏置电压,在磁场的作用下实现能量的有效注入。对电子离子複合、大尺寸问题、振动能量的释放等问题进行了分析。

标 签

搜索
随机推荐

Powered By 种豆资源网||