Введение к работе
Актуальность проблемы.
Магнитогидродняамический способ преобраоования онергии занимает особое место среди традиционных схем, обеспечивающих основную долю нроиоводства электрической энергии. По оценкам1 КПД таких станций может быть доведен до 80% в то время, как КПД лучших тепловых станций в настоящее время не превышает 46%, на парогаоо-вых установках может быть доведен до 54% и это, по-видимому, является пределом. Кроме того, использование МГДГ в замкнутом цикле позволит опачительпо улучшить экологическую обстановку и сниоить тепловое оагряонение атмосферы. Однако, конкурентоспособность его в оначительной степени оависит от того, насколько удастся повысить эффективность генераторного процесса, который лимитируется нио-ким уровнем проводимости рабочего тела (эффективная проводимость продуктов сгорания органических топлив с легкоиониоируемыми добавками составляет ~ 10 Ом-1см-1, что на четыре порядка ниже чем у медного проводника). Одним ио путей решения той проблемы является исіюльаовапие неоднородных потоков с высокотемпературными токовыми слоями. Вопросы органюэании таких течений на основе фи-оического явления Т-слоя и являются одним ио предметов исследований диссертационной работы.
Другим направлением исследований является проблема ускорения макротел до гиперовуковых скоростей, интерес к которой вооник сравнительно недавно и свяоан с развитием космических исследований и необходимостью моделирования их в лабораторных условиях, с исследованиями в области фиоики высоких энергии,с совершенствованием военной техники. Среди существующего множества принципов высокоскоростного метания наиболее перспективными представляются влеітро-дипамические ускорители, поскольку они теоретически лишены ограничений по скорости метания (скорость преобраоования электромагнитной энергии в механическую определяется только параметрами цепи). В то время как, например, наиболее распространенные и раовитые в
'Магнитогидродинамичесжое преобразование энергии. Открытый циіл.-М.: Науха.-1979.
настоящее время легкогаоовые ускорители, ускорители на ВВ, электротермические ускорители имеют принципиальное ограничение по скорости — скорость истечения рабочего гаоа в вакуум. Среди систем электродинамического ускорения наибольшее развитие получили рельсовые электромагнитные ускорители (РЭУ) — рельсотроны.
Анализ состояния проблем по указанным направлениям показывает, что они далеки от полного своего разрешения. Специфика изучаемых здесь процессов, их скоротечность, оначительные механические и тепловые нагруоками, а также высокая стоимость эксплуатации экспериментальных установок и самих экспериментов чрезвычайно затрудняет проведение экспериментальных исследований. Отсюда очевидна необходимость разработки адекватных физико-математических моделей и проведения широкомасштабного вычислительного эксперимента, как более мобильного и относительно дешевого инструмента исследований, на основе которого совместно с анализом экспериментальных результатов должны быть определены пути дальнейшего решения проблемы.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является теоретическое исследование высокотемпературных магнитогидродипамическнх процессов и оценка роли нелинейных обратных свяоей между электро - и газодинамическими величинами в обеспечении повышения степени преобразования энергии: энергии потока в электрическую энергию в МГДГ и энергии электромагнитного поля й кинетическую энергию потока и ударняха в РЭУ.
Основные задачи исследования заключались в следующем:
построение физико-математических моделей описглння высокотемпературных магннтогазодшамических течений в МГД-каналах с учетом реальных физических свойств и переноса энергии излучением;
проведение численного эксперимента с целью установления основных закономерностей и особенностей развития исследуемых процессов;
определение путей и способов повышения эффективности преобразования энергии.
Научная новизна.
І. В работе расчетным путем впервые детально с учетом реаль-
ных фиоических свойств среды и излучения исследованы особенности развития высокотемпературного токового слоя (Т-слоя) в режимах самопроизвольного (спонтанного) образования и искусственного его инициирования в газовых потоках рабочих сред, которые могут быть использованы в экспериментальных н натурных МГД-установках. Данный цикл исследований в значительной степени определил формирование нового направления в области преобразования энергии—разработке МГД-генераторов с токонесущими слоями.
Впервые предложена кваоиодномернаамагнитогидродивамическая модель в которой для учета аффектов, связанных с пространственным распределением магнитного поля, испольоуются соответствующим образом осредненные уравнения Максвелла в интегральной форме. Она не требует постановки специальных граничных условий для электромагнитного поля и легко обобщается на двухмерный случай.
В результате расчетов обнаружен неизвестный ранее еффект распада начально сформировавшегося Т-слоя при сильном гидромагнитном взаимодействии и образование протяженной зоны с немонотонным мяогопиковым профилем температуры.
Впервые исследовано влияние неравновесных процессов па формирование Т-слоя в потоке инертного газа с присадкой. Обнаружено, что до момента установления в плазме иониоационного равновесия температура тяжелых частиц не увеличивается и образование Т-слоя не происходит, а времена установления иониоационного равновесия и формирования Т-слоя в значительной степени зависят от напряженности магнитного поля.
На основании сопоставления результатов численного моделирования и экспериментов по изучению эффекта Т-слоя на установке с дисковым каналом установлен факт принципиального характера: возникающий токовый слой заполняет все сечение канала и препятствует протеканию газа через пего, что является особенно важным для практической реализации МГДГ на Т-слое.
II. Развита концепция электродинамического ускорения диэлектрических ударников в ускорителях рельсового типа, основанная на необходимости учета воаимоопредсляющих процессов в токоподводящей
арматуре и плаоменном поршне.
Впервые установлено, что изменение параметров состояния плазменного поршня в процессе ускорения носит автоколебательный характер и при достижении предельных режимов состояние плазменного поршня является определяющим в ограничении скорости метания. При этом, возникающая на больших скоростях движения перед телом электрическая дуга (лидер) не является ограничением в повышении скорости.
Впервые в двухмерном приближении решена сопряженная оадача взаимодействия потока плаомы в канале рельсового ускорителя с пространственно неоднородным магнитным полем и поверхностью электродов. Предложена и обоснована модель врооии стенок канала РЭУ, заключающаяся в том, что под воодействием радиационных потоков тепла но плазменной области происходит плавление поверхности, раору-шение пленки расплава вследствие раовития различных типов неустой-чивостей, увлечение капель потоком плаомы с последующим их испарением. Установлена воаимосвяоь основных механизмов потери импульса в ускорительном тракте: турбулентного трения, силы магнитного торможения, поступления эрозионной массы и их роль в ограничении скорости метания.
Для преодоления физических ограничений повышения скорости метания бео увеличения механических и тепловых нагрузок на конструкцию ускорителя предложено использовать сегментированный канал, в котором энергия от электромагнитного поля телу передается посредством быстрых коротких импульсов магнитной силы в каждой секции. В этом случае только небольшая часть плазменной области, непосредственно прилегающая, к метаемому тепу принимает участие в ускорении. При этом рабочая длина секции не превышает 20...30 см, а эффективная длительность импульса должна быть не более 15...20 мкс.
III. Впервые в широком диапазоне температур и давлений с учетом влияния микрополеи в плаоме рассчитаны спектральные и интегральные оптические характеристики плаом аргона и натрия, являющиеся основой расчета теплообмена получением.
Теоретическое оначение и практическая ценность работы.
Разработанные в диссертации подходы и математические модели могут быть исцольоованы при исследовании сложных магнитогидродинамических течений в условиях сильного гидромагнятного воаимодей-ствшг, когда процессы тепло-массопереноса (в том числе радиационного) становятся определяющими. Приведенные реоультаты широкомасштабного вычислительного эксперимента расширяют наши представления о роли нелинейных процессов и обратных связей между влектро-и газодинамическими величинами в магнитоплаомодинамике.
Практическая ценность полученных реоультатов определяется целенаправленностью работы - определение путей и способов повышения еффективпостп преобраоования энергии в магнитогидродинамических генераторах электрической энергии и электродинамических ускорителях масс, а также восполнением баоы данных свойств индивидуальных веществ.
Достоверность представленных научных реоультатов подтверждается сравнительным аналиоом реоультатов расчета исследуемых явлений по моделям различного уровня, испольоованием отработанных и протестированных вычислительных алгоритмов, контролированием в процессе счета оакопов сохранения, а также многочисленными сравнениями с експериментами и расчетами других авторов.
Апробация работы.
Основные реоультаты диссертации докладывались на Всесоюзных и Международных конференциях: Всесоюзная школа по численным методам в фиоихе плаомы (Москва, 1974 г.); III Всесоюоная конференция по плазменным ускорителям (Минск, 1976 г.); Всесоюоный сим-пооиум по методам аорофшических исследований (Новосибирск, 1976 г.); Всесоюоный семинар по изучению магнитогидродинамических процессов с помощью ударных труб (Москва, 1976 г.); The International Symposium " The problems of the magntetic fields in the cosmos " (Crimea, 1976 г.); III Всесоюоная конференция " Динамика получающего гаоа" (Москва, 1977 г.); IV Международная конференция по численным методам в гидродинамике (Тбилиси, 1978 г.); VT Всесоюоная конференция но теплофиоическим свойствам веществ (Минск, 1978 г.); V Всесоюоная конференция по фиоихе низкотемпературной плаомы (Киев, 1979
г.); II Всесоюзная конференция но аэрофиоическим исследованиям (Новосибирск, 1979 г.); Всесоюзный семинар по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980 г.); VI Всесоюоная конференция по фиоике ниокотемпературной плазмы (Новосибирск, 1980 г.); VIII Международная конференция но МГД-преобраоованиго внергии (Москва, 1983 г.); IX International conference on MHD-electrical pover generation (Tsukuba, Japsn, 1986 г.); I Всесоюзный семжнар по дикамихе сильноточного дугового разряда в магнитном поле (Новосибирск, 1990 г.); II Всесоюоный семинар по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле (Новосибирск, 1991 г.); 4th European Symposium on Electromagnetic Launch Technology (Celle, Germany, 1993 г.); 7th EML Symposium on Electromagnetic Launch Technology (San Diego, USA, 1994 г.); 32nd Symposium on Engineering Aspects of Magneiohydrodynamic3 (Pittsburgh, USA, 1994 г.); Eight Beer-Sheva International Seminar on MHD-iiovre and Turbulence (Jerusalem, Israel, 1996 г.); На семинарах академика H.H. Лнєехо (ВЦ СО АН, Новосибирск), академика В.Е. Нахорякоза (ИТФ, Новосибирск), член.-корр. В.М. Фомина (ЙТПМ, Новосибирск).
Публикации .По теме диссертации опубликовано 47 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, содержащих в свою очередь введение и заключение, десяти глав, заключения по диссертации, списка литературы и приложения. Общий объем работы 315 страниц и включает 105 рисунков, 5 таблиц и библиографию, содержащую 264 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ