[发明专利]一种等离子体涡旋驱动装置的附加磁场位型的优化方法

说明书

发明提出了一种等离子体涡旋驱动装置的附加磁场位型的优化方法，该方法建立起了特定的附加磁场分布与热耗散分布的解析泛函关系，可以迅速准确地分析附加磁场分布特点对热耗散分布的影响，避免了大量重复的实验或数值仿真，节省了大量时间和物力。本发明优化方法得到的优选附加磁场位型，可将涡旋驱动装置阴极表面的焦耳热耗散降低19％，粘性热耗散降低68％。

技术领域

本发明涉及等离子体发生器设计领域，是一种用于缓解等离子体涡旋驱动装置阴极热烧蚀的附加磁场位型的优化方法。

背景技术

等离子体涡旋驱动装置一般由同轴圆柱电极和轴向附加磁场构成，此类装置可以利用正交电磁场中的洛伦兹力将具有粘性的等离子体在角向上进行加速，在出口处形成涡旋射流。目前，这种等离子体涡旋驱动装置被广泛应用于：回旋等离子体发生器，附加场磁等离子体推力器，等离子体离心机，以及可控可聚变实验装置。

这些应用装置目的都在于借助强附加磁场来实现从电能到角向涡旋动能的转化。目前描述通道内电磁流动最常用的方法是磁流体动力学理论(magnetohydrodynamic,简称MHD)。附加磁场可以实现电能到涡旋动能转化的桥梁，它的大小和分布会对电磁场与流场中的能量转化过程有重要的影响。系统的能量来源于电极放电，但强附加磁场的存在使得通道内的电磁流动较无附加磁场的电极通道流动，有两点非常显著的差异：a)附加磁场的霍尔效应变得不可忽略，电流会出现角向分量，在径向上被产生霍尔效应电压，由此消耗的电功率全部耗散为欧姆热；b)在轴向附加磁场和径向电流的洛伦兹力j_rB_z作用下，流体在角向上被加速，角向涡旋运动与轴向附加磁场作用带来径向上的动生电动势电压u_θB_z，由此消耗的电功率转化为装置出口输出的涡旋动能流和装置内部耗散的粘性热。综合以上两点，在流经电极板的总电流恒定的情况下，霍尔效应电压和动生电动势电压的存在会导致总电压升高，进而增大功率。从能量角度来看，增大的功率通过附加磁场转移到了霍尔电流的欧姆耗散、涡旋运动的粘性耗散以及输出的涡旋动能流中去。且此类装置的同轴柱状电极通道的结构决定了电流密度在中心阴极附近集中，导致能量密度、热耗散均在阴极附近集中。附加磁场作为这种能量转化的桥梁，它的大小和分布会对电磁场与流场中的能量转化过程有重要的影响。从相关的MHD解析研究来看，附加磁场通过影响Hartman数和Hall参数影响解的形态，但当前的研究都是将Hartman数和Hall参数视为常数。事实上可以通过改变附加磁场的分布形态来调节Hartman数和Hall参数在空间上的分布。