高效电气体发电的多场协同过程及新型热力循环的研究

Investigation on the complicated process and the newly thermodynamic cycles of the electrogasdynamic power generation with high efficiency.Eletrogasdynamic power generation （EGDPG）is a method of directly converting thermal energy into electricalenergy. EGDPG has some special advantages of simiplicity, low-cost, free-noise and higher theoretical thermal efficiency. Therefore,it has been considered as one of the most promising power generation with enviroment-frendily. However,the EGD power generation process is significantly complicated, because it is a typlical process with multifield-coupling and multiscale effects. Revealing the special phenomon and laws in the process and improving the energy conversion efficiency is a problem to be solved to broadly use the EGDPG. In the project, one novel power generation method is proposed. In which, the single-polar charge generated by the carbon nanutube field emission and heat is added into the EGD generator. Combined multiscale modeling, theoretical analysis and experimental study, the special phenomon, behavior and the energy conversion mechanism are explored. Moreover, the non-equilibrium charateritics of the electrogas, the carbon nanotube field emission, the gas expansion with heat addition is comprehensivly investigated by the method of the intersection of multidisciplinary fields.The thermodynamic cylces with perfect performances are established to integrate with the electrogasdynamic process with high energy conversion efficiency and found the relationship with other parameters. Developing new theories and approaches provide the theoritical guide for broadly utilizing the electrogasdynamic power generation.

电气体发电作为一种热电直接转换方式，因结构简单、成本低、无噪音、热源适用强、理论效率高，最有望成为新一代高效低碳环保的发电方式之一。然而，电气体发电过程存在错综复杂的多场耦合多尺度效应，重新全面认识该过程、揭示其中的物理本质并大力提高能量转换效率，是电气体发电推广应用亟待解决的问题。本项目提出利用碳纳米管场发射效应注入单极电荷的热添加的多场协同的电气体发电新方法，以理论分析和多尺度模拟为主、实验研究相辅助，深入研究其中复杂流体多场协同的特殊的流动、电动和热力学现象及行为以及能量转换机制；以多学科交叉综合的方法，重点研究非平衡特性、碳纳米管场发射效应、热添加和电气体发电能量转换特性间的协同规律；建立与高效发电过程匹配的新型热力循环和复合循环，研究过程和循环系统能量转换效率间的协同互补；发展高效的新一代电气体发电过程和循环以及新的理论和研究方法，为电气体发电重新发挥优势和推广应用提供理论指导。

电气体发电作为一种热电直接转换方式，具有极高的理论转化效率，但实际的转化效率极低，极大地限制了其实际应用及推广应用。本项目提出了碳纳米管场发射效应注入单极电荷的热添加的多场协同的电气体发电新方法，以理论分析和多尺度模拟为主、实验研究相辅的方法，重点深入研究了复杂流体多物理场耦合协同的跨音速、热添加的非绝热、碳纳米管场发射诱发、微电动力等新型的电气体发电过程中的气固两相流动、电动和热力学现象及行为特性以及能量转换机制，获得了提高电气体发电过程热电直接转化效率的措施；发现减小缩放喷管的扩张比以消除激波或削弱激波、渐缩段内热源添加、提高荷电密度的碳纳米管场发射、纳米颗粒以及微电气体动力发电喷管均能够有效解决目前电气体发电的所面临的技术瓶颈；采用分子动力学模拟方法对固态金属颗粒与流体组成的电流体的热物理性质进行了研究，发现了微纳颗粒在基液中的聚焦和稳定悬浮的特性和条件以及微纳颗粒对其扩散、流变特性的影响规律；发展了与以上高效发电过程匹配的新型的超临界热力循环、热添加的近埃里克森循环和冷热电复合循环，并利用热力学定律分析研究了过程特性和循环系统性能参数间的协同互补关系。本项目的研究成果为电气体发电技术重新发挥优势和推广应用提供了理论指导，使得电气体发电这一技术引起了国内外学者的关注并吸引其开展相关研究。同时，也为我们后续进一步的研究提供了必不可少的基础工作，同时也为发展新的学科-电气体热动力学奠定了一定基础，为电气体发电进一步应用展示了良好的景象。