MHD与法拉第高超音速发电

在萨普罗航空学院的讲座
2003年6月10日

MHD与高超音速飞行

J.P. Petit

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法国MHD发展史回顾

MHD（磁流体动力学）的发明者是英国人迈克尔·法拉第。这一学科包含两个方面：

• MHD加速器：利用洛伦兹力（英文称Lorentz力）J × B 将流体加速的技艺；
• MHD发电机：将流动流体的动能转化为电能的技艺。

法拉第本人曾实验过这两种装置。在两种情况下，他都使用了一种线性转换器，并以他的名字命名。从原理上讲，线性转换器是一种带有电极（分段式，以实现电流在通道内更均匀分布）的喷管，两侧配有产生横向磁场的线圈。装置的轴线方向、磁场方向以及电极产生的电场方向构成一个三直角坐标系。

法拉第转换器

20世纪60年代初，英国人首次提出通过MHD实现无机械运动部件的“直接发电”。在纸面上，这看起来非常简单：一种流体以速度V流入喷管，切割磁力线（磁场B），从而产生电动势场V × B，进而驱动电流J（电流密度，单位为安培/平方米）。该电流通过电极收集，并在负载电阻中形成回路。这种MHD发电机具有多个优点：启动迅速，且突破了当时燃气轮机效率受卡诺效率限制（最高约40%）的瓶颈。理论计算表明，理论上可实现接近60%的综合效率。如果这类设备能够实际运行，意味着在相同化石燃料输入下，可额外多获得50%的电能。

但气体是极差的导电体。以碳氢化合物燃烧产生的气体混合物为例，其组分具有一定的电离势。即便在技术允许的最高温度下，气体的电导率依然很低。只有极少部分气体的焓能可转化为电能，大部分能量通过焦耳效应在通道内耗散。

因此，人们设想通过向气体中添加低电离势物质（主要是碱金属）来提高其电导率。这一电导率提升问题如此关键，以至于人们一开始就考虑使用最容易电离的物质——铯。因此，最早的MHD转换实验是在燃烧碳氢燃料的燃烧室下游，连接一个法拉第线性发电机。然而实验结果令人失望。要实现有效发电，需达到约3000°C的温度，相当于白炽灯灯丝的温度。研究重点转向材料的耐热性能：壁面和电极。20世纪60年代初，实验过程中电极炸裂、用于隔热的板片崩裂的情况屡见不鲜。这些被称为“开式循环”的研究在全世界多个实验室持续进行。法国方面，法国电力公司（EDF）在莫雷-苏-卢瓦的朗纳迪耶研究中心、法国石油研究所以及通用电气公司（CGE）均参与其中。当时全球民用MHD研究投入达5000名研究人员，分布在数十个实验室。由于持续失败，研究逐渐停止。苏联是最后坚持到20世纪70年代中期的国家，其实验发电机“U-25”就安装在莫斯科附近。

苏联MHD发电机U-25。前景为电磁铁。

U-25发电机通道的惊人尺寸。电极位于左右两侧。

另一种技术路线很快被提出，即利用所谓的“非热平衡电导”（热力学非平衡）。后文将详细说明这种情形：电子温度Te远高于气体温度Tg。这正是氖灯管内的状态。其基本原理如下：在氖灯管中，电极产生的电场E使自由电子沿其平均自由程（在与中性原子或离子碰撞前的运动距离）加速。若平均自由程足够长，电子获得的动能可达到原子的电离能Ei。在碰撞时，将引发“电子雪崩”。电流的流动使灯管内部形成电离态。相反过程：离子吸引较慢的自由电子，试图将其捕获（辐射去电离）。

我已在个人网站上发布过两份关于MHD的通俗介绍资料。后续内容中将通过链接进行引用。

20世纪中叶（更准确地说是1964年，在英国纽卡斯尔举行的国际会议期间），一位年轻的俄罗斯科学家维利霍夫预言了一种极为剧烈的电离不稳定性，其发展仅需数微秒。这一现象的理论机制极为复杂，违背直觉。以下是一张来自20世纪60年代的图像（当时数值模拟需使用最强大的计算机，这些图像来自苏联）。图中展示了这种不稳定性的发展过程：局部电流线被压缩，导致局部电流密度J显著增加，进而引发气体电离。介质因此分层，形成高电导率层与低电导率层交替分布的结构。

法拉第转换器中电热不稳定性的发展过程（1968年）

正是这种无法克服的不稳定性，导致全球民用MHD研究的全面崩溃（数十个实验室，5000名研究人员）。到20世纪60年代末，欧洲的MHD研究已彻底终结。尽管马赛流体动力学研究所（1966–1970年）曾取得唯一成功案例，所有研究团队仍被解散。该阶段有两个重要成果：

• 首次实现非热平衡状态下稳定运行的发电机，不受电离不稳定性影响（J.P. Petit，1967年，华沙第七届国际会议）。气体温度：6000°C，电子温度：10000°C，输出功率：2兆瓦。电流输出显著，最高达4000安培。

• 氩等离子体的加速。输入参数：压力1巴，速度2700米/秒，温度10000°C，电导率……