Введение к работе
Диссертационная работа посвящена стационарным осесимметричным течениям плазмы с собственным магнитным полем в коаксиальных каналах типа сопла. Исследования проведены методами вычислительной и теоретической магнитной газодинамики.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ определяется тесной связью проведенных исследований с современными экспериментальными разработками квазистационарного сильноточного плазменного ускорителя (КСПУ), основные принципы которого разработаны А. И. Морозовым (Морозов А. И. //Физика плазмы. -1990. - Т. 16, вып. 2. -С. 131-146). КСПУ предназначен для генерации высокоэнергетичных плазменных потоков, что обуславливает разнообразные возможности его применения. Прежде всего речь идет о создании мощных электрореактивных двигателей для аэрокосмических летательных аппаратов. При решении проблемы управляемого термоядерного синтеза КСПУ может быть использован в качестве инжектора плазмы с необходимыми параметрами для токама-ков и плазменных ловушек и т. д. В то же время течение плазмы между электродами является достаточно общим объектом плазмодина-мики, и проявляющиеся в нем закономерности представляют интерес как с прикладной, так и с теоретической точки зрения.
Современный этап вычислительных работ по проблеме КСПУ охватывает широкий круг вопросов, которые касаются особенностей процессов, происходящих в различных блоках и элементах ускорителя (Брушлинский К. В. и др.//Физика плазмы. - 1990. - Т. 16, вып. 2. -С. 147-157). Однако центральное место в нем занимают исследования течений в профилированных каналах. В настоящее время они представляют интерес в связи с анализом работы основной ступени КСПУ, в частности, распределения электрического тока, которое характе-риризует ускорительные свойства системы.
КСПУ отличается от ускорителей предыдущего поколения, во-первых, двухступенчатым механизмом ускорения; ионизация происходит в серии ускорителей первой ступени. Во-вторых, роль электродов-в канале второй (основной) ступени играют специальные устройства -трансформеры, обеспечивающие перенос тока ионами с целью преодолеть приэлектродные нерегулярности течения. Вследствие этого почти во всем объеме основной ступени течение можно считать ограниченным коаксиальными поверхностями, близкими по форме и распо-
ложению к поверхности электродов-трансформеров. В этом "ядре потока" можно использовать модель непроницаемых электродов, а также пренебречь эффектом Холла и диссипативными процессами, т. к. соответствующие им безразмерные параметры малы. В связи с этим представляет интерес детальное количественное описание в ранках одножидкостной бездиссипативной магнитной газодинамики течений в каналах, форма которых отвечает реальной геометрии существующих установок КСПУ. В данной работе использованы геометрические характеристики ускорителя КСПУ П-50 (Волошко А. Ю. и др.//Физика плазмы. -1990. -Т. 16, вып. 2. -С. 158-167).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании количественных закономерностей МТД течений в каналах современных моделей КСПУ, изучении свойств распределений электрического тока и условий образования токовых вихрей в профилированном канале, исследовании свойств аналитических решений стационарных МГД уравнений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1) В серии расчетов двумерных МТД течений исследованы распределения в канале электромагнитного поля и локальных гидродинамических параметров плазменных потоков, а также их интегральные характеристики. Результаты расчетов систематизированы и на их основе получены количественные закономерности в свойствах течения и указаны пути сопоставления их с экспериментальными исследованиями КСПУ.
2) Показано, что распределение электрического тока в канале,
ответственное за процесс ускорения плазмы, связано в первую
очередь с величиной отношения характерных газового и магнитного
давлений на входе в канал и практически не зависит от гидродина
мических свойств втекающей плазмы. Проанализированы условия обра
зования токовых вихрей в канале и их влияние на процесс ускорения.
3) В процессе теоретических исследований стационарных МГД
течений б приближенных моделях установлен ряд новых закономернос
тей в поведении параметров течения вдоль траектории, конфигураци
ях звуковых поверхностей, механизмах вихреобразования.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Практическая значимость работы заключается в детальном количественном описании МГД течений в каналах современных вариантов ускорителя КСПУ. На основе рассчитанных интегральных параметров течений указаны пути сопоставления расчетов с экспериментами. Результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации следующего поколения
КСПУ.
Теоретическая значимость заключается в раскрытии и анализе общих закономерностей и свойств двумерных стационарных трансзвуковых МГД течений в иагнитоплазменчом аналоге сопла Лаваля, в частности, распределения электрического тока в канале с образованием токовых вихрей.
Методическое значение работы состоит в том, что реализация эффективной конечно-разностной методики Дж. Бориса и Д. Бука в задачах трансзвуковой магнитной газодинамики способствует дальнейшему внедрению численного моделирования в разработку современных плазменных установок.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований докладывались на VII Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, обсуждались на научных семинарах в Институте прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, Институте механики МГУ им. И. В. Ломоносова, межведомственных совещаниях и рабочих семинарах по проблеме КСПУ.
ПУБЛИКАЦИИ. Большая часть результатов, содержащихся в диссертации, отражена в 11 публикациях - статьях, препринтах, материалах Всесошой конференции.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, двух глав, объединяющих шесть параграфов, и заключения. Общий объем работы - 162 страницы, из которых 20 занимают иллюстрации. Список литературы содержит 89 наименований.