Исследование высокотемпературных магнитогидродинамических потоков в задачах преобразования энергии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

КАЦНЕЛЬСОН САВЕЛИЙ СЕМЕНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ В ЗАДАЧАХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

01.02.05 - механика жидкости, гааа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации яа соисхание ученой степени доктора фтико-математических наук

Новосибирск-1997

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механика СО РАН (г. Новосибирск)

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., академик Кругляков Э. П. д.ф.-м.н.,член-корреспондент Курдюмов С. ГГ. д.т.н., профессор Рубцов Н. А.

Ведущая организация: Объединенный институт высоких температур РАН, г. Москва

Защита состоится " 28 "января 1998 г. в 930 час. на оаседании Диссертационного совета Д 002.65.01 по оащите диссертации на соискание ученой степени доктора наук В Институте теплофизики СО РАН по адресу:

630090, Новосибирск-90, пр. Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно оонакомиться в библиотеке Института тепло-фиоики СО РАН.

Автореферат разослан" " 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

д.ф.-м.н.

Р. Г. Шарафутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Магнитогидродинамический способ преобразования онергии занимает особое место среди традиционных схем, обеспечивающих основную долю производства электрической энергии. По оценкам* КПД таких станций может быть доведен до 80% в то время, как КПД лучших тепловых станций в настоящее время не превышает 46%, на парогазовых установках может быть доведен до 54% и это, по-видимому, является пределом. Кроме того, использование МГДГ в замкнутом цикле позволит значительно улучшить экологическую обстановку и снизить тепловое загрязнение атмосферы. Однако, конкурентоспособность его в значительной степени зависит от того, насколько удастся повысить эффективность генераторного процесса, который лимитируется низким уровнем проводимости рабочего тела (эффективная проводимость продуктов сгорания органических тошшв с легкоиониоируемыми добавками составляет ~ 10 Ом-1 см-1, что на четыре порядка ниже чем у медного проводника). Одним из путей решения ©той проблемы является использование неоднородных потоков с высокотемпературными токовыми слоями. Вопросы организации таких течений на основе физического явления Т-слоя и являются одним из предметов исследований диссертационной работы.

Другим направлением исследований является проблема ускорения макротел до гиперзвуковых скоростей, интерес к которой возник сравнительно недавно и связан с развитием космических исследований и необходимостью моделирования их в лабораторных условиях, с исследованиями в области физики высоких энергии,с совершенствованием военной техники. Среди существующего множества принципов высокоскоростного метания наиболее перспективными представляются электродинамические ускорители, поскольку они теоретически лишены ограничений по скорости метания (скорость преобразования олектромагнит-ной энергии в механическую определяется только параметрами цепи). В то время как, например, наиболее распространенные и развитые п

1 Магнятогидродинамичесжое преобразование онергии. Отжрытыйци1л.-М.: Науха,-1979.

настоящее время легкогазовые ускорители, ускорители на ВВ, электротермические ускорители имеют принципиальное ограничение цо скорости — скорость истечения рабочего газа в вакуум. Среди систем электродинамического ускорения наибольшее раовитие получили рельсовые электромагнитные ускорители (РЭУ) — рельсотроны.

Аналио состояния проблем по указанным направлениям показывает, что они далеки от полного своего разрешения. Специфика изучаемых здесь процессов, их скоротечность, значительные механические и тепловые нагрузками, 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 к задачи исследования.

Целью работы является теоретическое исследование высокотемпературных магнитогидродипамическнх процессов и оценка роли нелинейных обратных связей между эаехтро - и газодинамическими величинами в обеспечении повышения степени преобразования энергии: энергии потока в влектричесхую энергию в МГДГ и энергии электромагнитного поля а кинетическую энергию потока и ударняха в РЭУ.

Основные задачи исследования заключались в следующем:

— построение физико-математических моделей описания высокотемпературных магнитогаоодинамических течений в МГД-каналах с учетом реальных физических свойств и переноса энергии излучением;

— проведение численного эксперимента с целью установления основных закономерностей и особэнностей развития исследуемых процессов;

— определение путей и способов повышения эффективности преобразования энергии.

Научная новизна.

I. 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 слоямл.

Впервые предложена квазиодномернаамагнитогидродинамическая модель в которой для учета аффектов, свяпанных с пространственным распределением магнитного поля, исполызуются 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 эффект 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 гада с присадкой. Обнаружено, что до момента установления в плазме ионшэационного равновесия температура тяжелых частиц не увеличивается и образование Т-слоя не происходит, а времена установления ионизационного 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 плазменном поршне.

Впервые установлено, что иоменение 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 задача 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, разрушение пленки расплава вследствие раовития различных типов неустой-чивостей, увлечение капель потоком плаомы с последующим их испарением. Установлена взаимосвязь 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 без увеличения механических и тепловых нагрузок на конструкцию ускорителя предложено использовать сегментированный канал, в котором энергия от електромагнитного 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 михрополей в плазме рассчитаны спектральные и интегральные оптические характеристики плазм аргона и натрия, являющиеся основой расчета теплообмена излучением.

Теоретическое значение и практическая ценность работы.

Раоработанные в диссертанта подходы и математические модели могут быть иснольоованы при исследовании сложных магнитогидродинамических течений в условиях сильного гидромагнятного воаимодей-ствшг, когда процессы тепло-массопереноса (в том числе радиационного) становятся определяющими. Приведенные результаты 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 эффективности преобразования энергии в магнитогидродинамических генераторах электрической энергии и электродинамических ускорителях масс, а также восполнением баоы данных свойств индивидуальных веществ.

Достоверность представленных научных реоультатов подтверждается сравнительным анализом реоультатов расчета исследуемых явлений по моделям раоличного уровня, использованием отработанных и протестированных вычислительных алгоритмов, контролированием в процессе счета оаконов сохранения, а также многочисленными сравнениями с экспериментами и расчетами других авторов.

Апробация работы.

Основные реоультаты диссертации докладывались на Всесоюзных и Международных конференциях: Всесоюзная школа по численным методам в фиоике плазмы (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.); VI Всесоюзная конференция но теплофиоическим свойствам веществ (Минск, 1978 г.); V Всесоюоная конференция по фиоике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979

г.); II Всесоюзная конференция по аэрофизическим исследованиям (Новосибирск, 1979 г.); Всесоюзный семинар по ударным трубам и ударным волнам (Черноголовка, 1980 г.); VI Всесоюоная конференция по фиоике низкотемпературной плазмы (Новосибирск, 1980 г.); VIII Международная конференция по MГД-преобраоозанию анергии (Москва, 1983 г.); IX International conference од MHD-electrical pover generation (Tsukuba, Jap'.m, 1986 г.); I Всесоюзный семинар по дякамихе сильноточного дугового разряда в магнитной поле (Новосибирск, 1990 г.); II Всесоюзный 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 Magnetohydrodynamic3 (Pittsburgh, USA, 1994 г.); Eight Beer-Sheva International Seminar on MHD-flows and Turbulence (Jerusalem, Israel, 1996 г.); На семинарах академика H.H. Янекко (ВЦ СО АН, Новосибирск), ахадаьшка В.Е. Накорякова (НТФ, Новосибирск), чяен.-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, оаключения по диссертации, списка литературы и приложения. Общий объем работы 315 страниц и включает 105 рисунков, 5 табдид и библиографию, содержащую 264 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, показана актуальность работы. Изложена структура диссертации, ее содержание по разделам в главам, приведены данные по апробации работы.

Первый раодел посвящен проблеме повышения эффективности магнитогидродинамического способа преобразования енергии путем создания неоднородных МГД-течений с высокотемпературными токонесущими слоями (Т-слоями). Рассматриваются возможность и особенности организации подобных течений в газовых средах, которые

могут быть перспективными рабочими телами промышленных МГДГ

или используются в экспериментальных установках по изучению физического явления Т-слоя, при этом характерные масштабы процессов в первом случае есть I, ~ 1 м, I, ~ Ю-4 с, а во втором они на порядок меньше.

В главе 1 дается физико-математическая постановка задачи и далее в рамках квазиодномерного приближения

д д

ди ди др 1

+ + 7Г = -3 ■ Я, от от от с

¿г 1 д / дТ\ р Э -

РЪ = ~ } + /<г~<7*0'

Р= —(1 + <*)рТ,

дН _ 4тг .

дг с

1 3 „ 1<9Я

--{гтЕ) =---,

гт дг с дЬ

2 = <т{Е - -иН), с

е = е(р,Т), \= \(р,Т), о = <т(р,Т),

а = а{р,Т),Яжо = {р,Т),

(/ — сечение канала; т — показатель геометрии задачи) численно исследуются вопросы самопроизвольного (спонтанного) и искусственного инициирования Т-слоя в газовом потоке.

Для реализации численного решения был разработан алгоритм, в основе которого лежит идея расщепления исходной системы дифференциальных уравнений па отдельные группы, которые решаются методом конечных разностей с последующей совместной их итерацией. Для решения каждой группы уравнений: уравнений газовой динамики, уравнения теплопроводности (энергии) и системы уравнений, определяющих электромагнитное поле, — выбирались абсолютно устойчивые

разностные схемы, проверенные на многочисленных оадачах подобного рода. Расчет транспортных коэффициентов проводится либо по известным приближенным формулам, либо они вводятся в программу в виде таблиц с последующим интерполированием в промежуточных точках. Потери онергии на излучение учитываются в приближении объемного высвечивания. Для каждой счетной ячейки (в пределах которой температуру можно считать постоянной) вычисляется поток лучистой энергии, от полусферического объема операющегося на эту ячейку. Используя известные степени черноты из (см. Раздел III) находим поток S = есф • <тсТ4, который после приведения к излучению единицы объема дает искомую мощность лучистых потерь q,a = ^ссф-асТ4. При этом из суммарной величины есф = Е,-нужно исключить степени черноты, соответствующие непрозрачным участкам спектра.

Рассмотрены следующие задачи:

1. На характерных масштабах натурного МГДГ исследовано развитие изохорического возмущения температуры в потоке аргона с присадкой цезия с учетом реальных физических свойств среды и радиационных потерь. В результате расчетов было обнаружено (рис.1), что внутри образовавшегося Т-слоя, начиная с некоторого момента времени, вследствие сильного гидромагнитного взаимодействия возникает область не скомпенсированного давления, распад которой порождает в потоке серию токовых слоев (эффект размножения Т-слоев), что необходимо учитывать при организации слоистых течений в каналах МГДГ.

2. Решена задача инициирования Т-слоя на начальном возмущении проводимости, создаваемом локальным вводом в поток легкоиони-зируемой присадки, что может представлять практический интерес. Показана принципиальная возможность использования данного способа инициирования и исследована динамика формирования токового слоя в таком процессе.

3. Рассмотрены особенности развития Т-слоя в потоке из изохорического возмущения температуры в масштабах лабораторных установок . Расчеты показали, что простой закономерности существования границы "подхвата"^ = Rem • RH > Rm*, полученной в работе2 на больших

1 Тихонов А.Н., Самарский A.A., Захлязьминсхий J1.A. и др.Эффежт Т-слоя в ыатнит-

размерах, в данном случае не существует, поскольку процесс разлета области повышенного давления существенным образом влияет на формирование Т-слоя.

3. Исследован процесс формирования Т-слоя в режиме самопроизвольного (спонтанного) образования. Показано, что для однородного потока основным механизмом, приводящим к возникновению Т-слоя, является процесс скипирования магнитного поля и ото открывает еще одну возможность в организации течений с токонесущими слоями. Расчеты показали, что меняя надлежащим образом во времени напряженность внешнего магнитного поля, можпо получить слоистый поток с разделенными в пространстве Т-слоями (рис.2).

4. Решена задача развития Т-слоя в потоке гелия на неоднородности концентрации присадки щелочного металла в условиях температурной неравновесности. Обнаружено (рис.3) , что в случае термической ионизации до момента установления в плазме ионизационного равновесия температура тяжелых частиц не увеличивается и образование Т-слоя не происходит, а времена установления ионизационного равновесия и формирования Т-слоя в значительной степени зависят от напряженности магнитного поля.

В главе 2 представлены результаты математического моделирования процессов в экспериментальной установке (рис.4) по изучению эффекта Т-слоя. Исследовано осесимметричное пространственное течение, связанное с конструктивными особенностями установки: выходом ударной волны и потока за ней из круглой трубы в дисковый канал и установлением радиального течения. Исходная система уравнений в двухмерном приближении решалась численно на основе разностной схемы третьего порядка точности. Обнаружено существенное влияние процессов ионизации и излучение на формирование потока. Расчеты, выполненные в беоипдухциоттом приближении (Иеп -С 1), показали, что наложение внешнего магнитного поля способствует выравниванию потока по ширине щели дискового канала и установлению кваоиодно-мерпого течения в радиальном направлении, при этом установлен факт принципиального характера: возникающий токовый слой (Т-слой) заной гидродинамиже.-М.: ИПМ, 1969.

подняет все сечение канала (рис.5) и препятствует протеканию гаоа черео него, что согласуется с экспериментальными результатами.

Моделирование процессов в МГД-канале экспериментальной установки в условиях сильного гидромагнитного воаимодействия проводилось в кваоиодномерном приближении.Сравнительный анализ результатов расчета с экспериментом показал, что для данной экспериментальной установки в расчетах необходимо учитывать пространственный характер распределения магнитного поля от токов в плазме (силовые линии индуцированного поля замыкаются вокруг плазменного кольца и, складываясь с внешним полем, понижают напряженность его внутри кольца и увеличивают с наружи). При этом течение в канале на больших радиусах в значительной степени близко к одномерному. В связи с этим был разработан метод расчета электромагнитного поля, основанный на интегральном представлении уравнений Максвелла (в данном случае использовалось представление электромагнитных величин черео вектор-потенциал), что позволило учесть указанную выше особенность и получить хорошее совпадение с экспериментом в общей картине течения. Данный подход был в дальнейшем успешно использован при исследовании процессов в канале рельсового электромагнитного ускорителя во втором разделе диссертации.

Глава 3 посвящена вопросам организации слоистых потоков на основе эффекта Т-слоя в средах, которые могут быть ^иттъпл рабочим телом всего (энергетического цикла, включающего тепловой источник и МГД-генератор.

Для замкнутого цикла с низкотемпературным ядерным реактором это могут быть газообразные потоки щелочных металлов, среди которых, как показал анализ, наиболее перспективными являются калий и натрий. Эти металлы уже используются в качестве теплоносителя на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. Расчеты показали принципиальную возможность организации неоднородных потоков с токонесущими слоями для таких сред и определили область начальных параметров, при которых инициированное возмущение температуры развивается в Т-слой. При этом было обнаружено, что при сильном гидромагнитном взаимодействии имеет место ионизация набегающего

на Т-слой потока в отраженной ударной волне. Это приводит к нежелательному эффекту — "разбуханию" токового ело а и должно учитываться при организации генераторного процесса.

Для цикла с высокотемпературным газофазным реактором общим рабочим телом могут быть газообразные продукты соединения шестифтористого урана. Для моделирования процесса инициирования Т-слоя в таких средах рассматривался поток WFg, являющийся имитатором ядерного горючего в лабораторных исследованиях и близкий к нему по теплофиоическим свойствам. В результате расчетов была определена область параметров начального потока и магнитного поля, обеспечивающих развитие Т-слоя и исследованы особенности формирования потока с токонесущим слоем.

Для открытого цикла с камерой горения в жачестве теплового источника рабочим телом являются продукты сгорания органических топлив. Была рассмотрена возможность инициирования Т-слоя в продуктах горения водорода — диссоциирующих парах воды. Начальное возмущение проводимости обеспечивалось локальным вводом в поток присадки цезия. Расчеты показали, что в данном случае осуществить "подхват" возмущения не удается. На основании модельных расчетов и эксперимента сделан вывод, что поток одноатомного гаоа является необходимым условием получения эффекта Т-слоя. Проблема использования МГДГ на Т-слое в открытом цикле, где рабочим телом являются продукты сгорания органических топлив требует дополнительных исследований и в первую очередь экспериментальных.

В развитии идеи3 использования Т-слоя для управления потоком в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ГПВРД) была рассмотрена схема совмещения линейного электродного МГДГ на Т-слое с рабочим трактом ГПВРД и проведены расчеты. Определены минимальные опачепия индукции магнитного поля в зависимости от полетного Маха, необходимые для "подхвата" возмущения, создаваемого системой инициирования Т-слоя в воздушном потоке на входе

'A.c. 1803595 СССР. Прямоточный воодушно-реактивный двигатель и способ его работы / В.А. Деревянко, E.H. Васиядев, А.Ф. Латьтов, В.В. Овчиннижов.—БИ.— 1993.—N 11.

МГД-канала. Исследованы динамика формирования течения с Т-слосм и особенности торможения потока в оависимости от подводимого тепла в область (играющую в данном случае роль камеры сгорания) между Т-слоем и отраженной от него ударной волной. Получены энергетические характеристики рассматриваемой схемы МГДГ с Т-слоем.

Второй раодел посвящен математическому моделированию процессов в рельсовом электромагнитном ускорителе масс, целью которого являлось определение причин ограничения скорости метания и способов их преодоления.

В главе 4 предпринята попытка установления основных факторов, влияющих на ускорение системы плаоменный поршень—метаемое тело в РЭУ (рис.6) на уровне простейших моделей и интегральных законов сохранения.

На уровне оценок определены роль и вклад основных механизмов потерь импульса в ускорительном тракте: волнового сопротивления; плазменного трения; турбулентного трения; трения ударника о стенки канала; поступление эрозионной массы в канал. Показано , что основными механизмами потери импульса являются поступление эрозионной массы и турбулентное трение.

Вводится понятие предельного режима, когда скорость достигает некоторой величины и ускорение прекращается. К таким режимам приводят эрозионные процессы, а также силы трения, когда они начинают конкурировать с ускоряющей магнитной силой. Показано, что в этом случае неизбежно резкое увеличение длины токопроводящей области и само понятие "плаоменный поршень" (ПП) в общепринятом понимании (/дп /Г1Я) теряет смысл.

На основании интегральных законов сохранения развита обобщенная модель токовой перемычки, в которой учтепы поступлепие эрозионной массы в плаоменный поршень и потери энергии на излучение. Подобные модели являются не замкнутыми, поскольку в случае непостоянства параметров ПП длина его не определена. В данном случае замыкающее уравнение было получено из требования выполнения равенства осредненного давления, определяемого из дифференциального уравнения движения в предположении изотермичности ПП и равно-

мерной плотности тока, газокипетическому давлению, определяемому уравнением состояния. Расчеты по этой модели хорошо согласуются с экспериментальными данными для т.н. штатных режимов ускорения, когда процессы, протекающие в плаоменном поршне не приводят к его деградации. В рамках этой модели проведены параметрические расчеты режимов работы РЭУ.

В главе 5 проводится исследование физических процессов в РЭУ в квазиодномерном приближении. Исходная система уравнений, описывающая движение тела и плазменного поршня, имеет вид

¿V

то— = Др£Г - КТ) аъ

дР д дри д , ,

д «а д и1 . - и1

Р! + е) + —\ри{- + е) + Н = Г ¡о + В]Ч + да(ев + ~ <7,0,

аъ I ах I I

где т — масса метаемого тела; V — его скорость; Др — перепад давления на теле; 5 — площадь поперечного сечения канала; 11Т — сила трения; <7Э — удельная мощность источника эрозионной массы, поступающей с электродов; ] В — 1] В г <1Б — усредненная по сечению канала объемная электромагнитная сила; и3 — скорость поступления эрозионной массы в плазму; <710 — мощность потерь энергии за счет излучения. Остальные обозначения общепринятые.

Для определения плотности тока и величины магнитного поля в плаоменном поршне используются уравнения Максвелла в интегральной форме. Вводится допущение, что плотность тока постоянна по сечепию хапала и меняется лишь вдоль его продольной оси. С каждым сечением плазменного поршня связывается замкнутый электрический контур, проходящий через это сечение, рельсы и внешнюю цепь. Для него записывается второй закон Кирхгофа:

¿1

в + ея- ьи— = + ит + ипа,

си

где £ — внешняя е.д.с.; £, — в.д.с. индукции, наводимая в объеме плазмы и рельсах; Lu, R* — индуктивность и сопротивление монтажной цепи; I — полный ток; £/р, Uaa — падения напряжения на рельсах и плазме. Используя оакон Фарадея для £,, оакон Ампера для определения магнитного поля и, проводя осреднение по сечению канала, получаем интегро- дифференциальное уравнение для определения плотности тока:

£ ~ b[S2 ^G(x,x')dx' + jBGnuB - jaGnua] - иВЬ =

Г /«» dj 1 гг» ,

= Luc\j — dx + j„uB - j„utt + RMc J jdx + dt J

+2 [ J*' Rx(x) dx £ j(x') dx' + £ Mx)(J*° Ö(*') dx1) dx] + i

где с — ширина электродов, R(x) — погонное сопротивление электродов.

Для численного решения исходной системы уравнений, как и в Гл.2, используется разностная схема третьего порядка точности, хорошо зарекомендовавшая себя при решении задач магнитной гидродинамики. В расчетах использовались таблицы теплофизических и переносных свойств плазмообразующих сред с интерполяцией в промежуточных точках.

В результате обширного вычислительного эксперимента было обнаружено, что на нарастающей ветви тока в плазменном поршне возникают осцилляции давления, длины ПП и, соответственно ускорения метаемого тела (рис.7), носящие автоколебательный характер и являющиеся следствием нарушения силового равновесия между магнитной силой и газодинамическим давлением.

Анализ полученных результатов также показал, что ускоряемая система метаемое тело — плазменный поршень обладает весьма длительной "памятью" на начальные возмущения. Сильное нарушение силового равновесия в плазменном поршне на начальном этапе разгона приводит в дальнейшем к мощным колебаниям электрических и газодинамических параметров, что, в свою очередь, влечет оа собой дополнительные механические нагрузки на конструкцию, потери импульса, повышение вероятности вторичных пробоев за телом. В связи с

отим большое значение приобретает оадача формирования компактного плазменного сгустка в начальной стадии разгона. Это может быть достигнуто, например, путем установления в калале составного тела4 , где второе тело играет роль "пыжа", и надлежащим формированием импульса тока. Для определения оптимальных условий организации начальной стадии разгона были проведены параметрические расчеты.

Было исследовано влияние электрических пробоев в канале РЭУ на динамику ускорения и показано, что возникающая перед телом при больших скоростях метания электрическая дуга (лидер) не приводит к значительному снижению выходной скорости. Электрические пробои в хвосте плазменного поршня существенным образом меняют динамику ускорения и снижают скорость метания, особенно опасны режимы, когда вторичный раоряд не догоняет основной.

В заключительной части Гл.5 проводится сравнение (рис.8) результатов численного моделирования с экспериментальными данными, полученными па установках различных исследовательских центров.

Сравнительный анализ показал, что предложенные математические модели, учитывающие основные механизмы потерь импульса, адекватно описывают процессы в РЭУ и могут быть испольоованы как оффективный инструмент исследований.

Глава 6. Посвящена исследованию структуры плазменного поршня в двухмерном приближении. К числу эффектов, для исследования которых необходимо проводить как минимум двухмерные расчеты, относятся: 1) поперечный перенос импульса и энергии (эффекты вязкости и теплопроводности); 2) поступление эрозионной массы в Г1П; 3) влияние неоднородности магнитного поля на течение в ПП; 4) МГД-неустойчивости.

Помимо отого состояние ПП во многом зависит от характера его теплового, механического и электромагнитного взаимодействия с электродами. Поэтому для корректного моделирования процессов в рельсовом ускорителе необходимо решать сопряженную задачу о воаимо-

'Желеоный В.Б., Лебедев A.Q., Плеханов A.B. В содействия на динамику разгона яхо-ря в РЭУ//Материалы II Всесоюоного семинара по динамик сильноточного дугового разряда в магнитном поле- Новосибирск, 1991.- С. 16-32.

действии потока плазмы с пространственно неоднородным магнитным полем я поверхностью электрода.

Изучение течения в канале РЭУ (рис.9) проводится на основе обобщенной на двухмерный случай модели, описанной в Гп.5. Радиационный перенос тепла внутри плазменного объема учитывается в приближении лучистой теплопроводности <7„ = с11у Л grad Т с коэффициентом теплопроводности А = 16 • аД^Ьн/Ъ. Предполагается также, что плазма излучает с единицы поверхности как абсолютно черное тело — 510 = асТ*.

Для расчета тепла в электродах используется известное уравнение теплопроводности. Считается, что электроды нагреваются с поверхности излучением плазмы и охлаждаются за счет отвода тепла вглубь. Джоулев нагрев электродов не учитывается.

Для учета турбулентного трения используются простейшие модели, основанные на полуэмпирических подходах. Для турбулентного касательного напряжения используется выражение, полученное Пранд-тлем т{ = Наличие магнитного поля приводит к подавлению

турбулентности, что в полуэмпирических теориях обычно учитывается посредством уменьшения масштаба турбулентных пульсаций. В работе5 для масштаба пульсаций предложено выражение I = ¿00 ехр{—ф), где ¡со — масштаб обычной турбулентности, ф = N — аВ?Ъ/рУ

— число Стюарта. Параметр /3 выбирается из условия равенства коэффициентов сопротивления ламинарного и турбулентного потоков при критическом числе Рейнольдса.

Были проведены расчеты, в которых воздействие перечисленных выше факторов на динамику ПП учитывалось отдельно и комплексно (рис.10). Было установлено:

—В результате радиационного охлаждения в плазменном поршне возникают конвективные потоки, скорость газа в которых сопоставима со скоростью метаемого тела.

—Неоднородность магнитного поля поперек канала (убывание от электродов к оси канала) приводит к возникновению в плазменном поршне

•Брановер Г.Г. Турбулентные МГД-течения в трубах.- Рига: "Зинатне", 1967.- 208

С.

вихревых структур, в которых скорость по электродам направлена вперед к телу и назад но ос» капала. Помимо отого, неоднородность магнитного ноля порождает в плазменном потоке индуцированные токи, которые взаимодействуя с основным нолем, приводят к возникновению силы магнитного торможения. Эта сила принципиально отличается от других механиомов потерь импульса. Юс полная величина пропорциональна длине ГШ, что дает потенциальную возможность проявления неустойчивости последнего.

—На скоростях, близких к предельным, турбулентность является основным механизмом переноса оперши и импульса по ядра течегшя в пристеночную область. В хвостовой части 1JJI, где происходит подавление пульсаций магнитным полем, радиационный перенос становится определяющим фактором в балансе энергии.

Рассмотрено три возможных сценария разрушения электродов и поступления эродировавшей массы в плаоменный поршень: испарение в дуговых привязках (ИДП); нагрев электродов излучением до температуры кипения с последующим испарением и увлечением пара плазмой (ИУ); плавление электродов , увлечение капель жидкого металла потоком плазмы с последующим их испарением (Г1.УИ). Проведенный анализ показал, что основным механизмом увеличения массы IUI является образование пленки расплава на поверхности электрода, ее разрушение различными пеустойчивостями и поступление капель металла в приолектродный слой с последующим их испарением (модель ПУИ). Этот процесс оказывает также определяющее влияние на баланс онергии вблизи стенки.

Все три механизма --- эрозия, турбулсптпое трение и магнитное торможение — тесно связаны между собой. Наличие неоднородности магнитного поля, инициирующего индукциошгые токи, и связанная с этим тормозящая сила приводят к увеличению длины плазменной области и, как следствие, к увеличению времени теплового контакта цлаомы с электродами. Дополнительное Джоулево тепловыделение от этих токов вызывает нагрев приолектродпого слоя плазмы. Оба этих фак тора влекут за собой дополнительную эрозию. Поступление эродировавшей массы в плазму увеличивает длину плаомеппой области и, как след-

Голь механизмов потерь

Идеальный случай (11.0 км/с) Базовый режим (6.4 км/с)

Магнитное 10.4 7.8

торможение

Турбулентное 10.9 8.2

трепие

Эрозия (ПУИ) 9.0 10.2

ствие, — магнитное трение. Аналогичным обраоом взаимодействует с орооией турбулентное трение. Ма1'нитное трение, увеличивая градиент скорости, вызывает тем самым дополнительные турбулентные потери. В свою очередь турбулентное трение, растягивая ПП, приводит к увеличению роли неоднородности поля.

В таблице приведены вклады этих трех механизмов в потерю конечной скорости. В колонке "идеальный случай" указано уменьшение скорости относительно режима вообще без потерь за счет данного процесса, т.е. роль данного вида потерь в отсутствие других. В колонке "базовый" вариант показывается, насколько увеличится скорость относительно базового варианта, учитывающего все потери, если "отключить" один из механизмов, т.е. роль этого механизма на фоне действия других. Видно, что каждый из рассмотренных видов потерь, будучи малозначительным сам по себе, начинает играть определяющую роль в совокупности с другими.

В Главе 7. Рассматриваются вопросы, связанные с повышением эффективности электродинамического способа ускорения тел.

Опыт исследований по электродинамическому ускорению макротел показывает, что дальнейшее продвижение по скоростям метапия связано с увеличением вкладываемой электрической мощности и организацией ее подвода, а также с мероприятиями по снижению потерь импульса в ускорительном тракте. Частично эти вопросы решаются па пути создания мпогосекционных схем РЭУ. При этом, под многосекционным РЭУ понимается не просто механический набор отдель-

пых секций и источников питания, а некая система позволяющая реализовать, укапанные выше мероприятия. Представленные в настоящей главе исследования связаны со вторым подходом в решении стоящей проблемы-- управлением МГД-течением в канале рельсотрона с целью снижения роли потерь.

Особенности работы мяогосекционного ускорителя детально анализируются на примере двухсекционного РЭУ в рамках кваоиодпомер-пого МГД-приближения (см. Гл.5). Реоультаты расчетов показали, что когда скорость тела в каждой секции приближается к своему максимальному значению, вся магнитная сила затрачивается на преодоление потерь и тело ускоряется, срабатывая газодинамическое давление, запасенное в прилегающей к нему части ПП, откуда следует, что снижение потерь является более предпочтительным способом совершенствования рельсотрона, чем увеличение магнитной силы. Единственный путь снижения турбулентного трения заключается в уменьшении движущейся массы. Однако расчеты показали, что если происходит сброс массы ио плазменного поршня при переходе из одной секции в другую он затем быстро восстанавливает исходную массу, и конечная скорость может быть ниже, чем бео сброса массы.

Анализ полученных ранее результатов показал, что снижение трения и эрозии возможно при использовании тепловой инерционности степок канала и плазмы. Воздействуя па часть ПП, непосредственно прилегающую к метаемому телу, можно снизить эффективную движущуюся массу. Возможность осуществления такого подхода рассматривалась для двух основных схем, существенно отличающихся по характеру передачи энергии: А) сегментированный капал, в котором каждый сегмент представляет собой независимый рельсотрон, гальванически не связанный с другими секциями; В) рельсотрон со сплошными электродами и источниками энергии, распределенными вдоль канала. Исследования показали реальную вооможпость существенного повышения скорости метания бео увеличения механических и тепловых нагрузок на конструкцию ускорителя с сегментированным каналом если передача энергии от электромагнитного поля телу осуществляется посредством быстрых коротких импульсов магнитной силы в каждой секции. В этом

случае только небольшая часть плазменной области, непосредственно прилегающая к метаемому телу, принимает участие в ускорении. При этом рабочая длина секции не превышает 20...30 см, а эффективная длительность импульса пе более 15...20 мкс. Сравнительный аналио обеих схем покаоал, что ускоритель первого типа обеспечивает большее ускорение в каждой секции, но если продолжительность импульсов меньше 10...12 мкс, их эффективности блиоки. Обе схемы могут быть оптимизированы по длинам ступеней, длительности импульса и величине подмагничивания.

В третьем разделе рассматриваются вопросы, связанные с переносом энергии излучением и представлены результаты расчетов спектральных и интегральных оптических характеристик плазм аргона и натрия, являющихся основой для расчета теплообмена излучением.

Глава 8 носвящена расчетам спектрального коэффициента поглощения, который определяется свободно-свободными переходами электронов в полях ионов и нейтралов (тормозные процессы), связано-свободными переходами (фотоионизация, фотоотрыв и т.д.) и связано-связанными переходами. Первые два типа переходов образуют непрерывный спектр, а свяоано-свяоанные переходы — дискретный спектр (спектральные линии).

Спектральный коэффициент поглощения Ки в непрерывном спектре рассчитывался на основе интегральных формул Бибермана —Нормана, в которые были внесены уточнения6, связанные с учетом возмущающего влияния заряженных частиц в плазме на ее состав и оптические свойства:

К: = С ■ + Жпсхр(-Д//АГ) • П

ехр(Л • {и + Ди0Х,)/кТ — 1 если и < ид -^ ехр(/и^/А:Г) - 1 если V > ид — Д^опх

Здесь С = сКт?Рк1„ = °-368 ' 1о9' * ~~~ оарядовое число, ((и) —

'Ковальская Г.Л., Сепаоплнсню В.Г. Равновесные свойства низкотемпературной плаомы//Свойстпа низютемпературной плазмы и методы ее диагностики.- Новосибирск: Наука, 1977,-С. 11-37

функция Бибермана-Нормана, — вероятность реализации граничного уровня, А/ — снижение потенциала иониоации, ид — частота граничного уровня атома, начиная с которого все выше лежащие уровни учитываются интегрально, Д1/01ГТ — оптический сдвиг порога фотоионизации. Остальные обооначепия общепринятые.

Вероятность реализации данного состояния (или поправка к его статистическому весу) есть интеграл от функции микрополя в плазме IV = р(0, а) (1/3, где р(р, а) — функция микрополя Хупера.

Вклад в коэффициент поглощения за счет фотоионвзации с уровней, лежащих ниже граничного учитывается индивидуально

К = <Гх{у) ■ п<(-)3, V > ц - А^опт,

V

где а,-(у) — сечение фотоиониоации, тг; — населенность уровня, 14 — пороговая частота.

Суммарный коэффициент поглощения в негферьшном спектре с

учетом вынужденного испускания есть

К = (#„ + £ К) • [1 - ехр(-Л|//*Г)]. {

При расчете коэффициента поглощения в дискретном спектре коп-тур линии аппроксимировался сверткой Фойгта:

а гоо ехр(-у )с1у

У *Лг/\1/гч 1Г "' —

%/7гАио 7Г ■'-оо а? + (х — у)"2

Здесь 5— сила линии, Аир— доплеровская полуширина, а = А — ударный параметр, х = (и — г/0)У1п 2/Аь'д, Дг/у = Дг/Ш + Дг/е + А1/р, г^ — центр линии, А^с — штарковская полуширина, Д|/е — естественней! полуширина, Аг/р — резонансная полуширина.

В результате учета микрополей в плазме интенсивность спектральных лштнй уменьшается по мере их схождения к границам соответствующих серий за счет уменьшения вероятности реализации верхнего дискретного состояния.

Спектральный коэффициент поглощения рассчитывался на конечном частотном интервале (0.01... 6) • Ю-15 с-1, так как по оценкам вне этого интервала переносится не более 0.1% всей энергии.

Для аргона расчет проводился в температурном интервале (5 — -20) • 103 К с шагом ДГ=1000 К и для давлений р = 0.1, 0.464, 1.0, 2.154, 4.642, 10.0, 14.678, 31.623 бар. Вклад в спектральный коэффициент поглощения, связанный с фотоиониоацией уровней близко расположенных к основному состоянию (конфигурации ЗР, 4Б, 4Р), учитывался индивидуально, а вклад остальных уровней совместно со свободно-свободными переходами по интегральным формулам.

Спектральный ксюффициент поглощения в дискретном спектре рассчитывался для наиболее сильных линий, соответствующих переходам между конфигурациями ЗР; 48; 4Р; ЗВ; 5Б; 5Р; 4Б; 6Р; 5Б; 6Б атома аргона (Аг I) и мультиплеты иона аргона (Аг II) 2Р°-2Р; 40-4Р°; 4Р-4Р°;

4р.«О0. 4р.2р0. 4р.45°.

Спектральный коэффициент поглощения натрия был рассчитан для температур и давлений, заданных на интервалах (1...20) • 103 К, (0.1... 30) бар соответственно. Фотоиониоация с уровней 4Б, ЗР, ЗЭ учитывалась индивидуально, а с остальных совместно со свободно-свободными переходами по интегральным формулам. В расчете спектрального коэффициента поглощения учитывались переходы между конфигурациями ЗБ, ЗР, 4Б, ЗБ, 4Р, 5Э, 4Б, 5Р, бБ, 5Б, 6Р, 78, 6Б, 7Р, 8Э, 7Б, 8Б.

В Главе 9 приводятся результаты расчетов степени черноты плоского слоя и полусферического объема

е," = / ЯР(1 - 2Е3Ы ¿и/оД*,

£ = XX-

г

где Ту = К„1, Е3(т) = Д00 е~т' ^ — интегральная экспонента, I — толщина плоского слоя или радиус полусферического объема соответственно, а также планковских и росселандовых средних длин пробега:

Щ = КГ = /" К'и»р ¿V / /" иир А/

'о К'„ dT

•оо 1 dU.

Pao биение спектра ио лучения на отдельные спектральные интервалы осуществляется исходя ио особенностей частотной оависимости коэффициента поглощения К„ для каждого индивидуального вещества.

Для аргона были рассчитаны значения интегральных характеристик для температур в интервале (5... 20) • 103 К с шагом ДТ= 1000 К, давлений р = 0.1, 0.464, 1.0, 2.154, 4.642, 10.0, 14.678, 31.623 бар и толщин 1=0.1,1.0,1.5, 2.0, 5.0, 10, 20, 30,100 см. Границы спектральных интервалов задавались в соответствии с частотной зависимостью кооф-фициента поглощения: Дщ — (0.01 — 0.1338) • 1015с-1 - сплошной спектр (ИК диапазон); = (0.1338-0.617)-Ю^с"1 - сплошной спектр, большая группа линий переходов 4S-4P; Аи3 = (0.617—0.985)-1015с-1 - сплошной спектр, линии переходов 4S-5P, 4S-6P; Ai/4 = (0.985 - 3.811) • 1015с-1 - сплошной спектр, группа резонансных пиний 3P-4S, 3P-5S, 3P-3D; Ai'5 ~ (3.811 —С.0)-1015с-1 - сплоигттой спектр (фотоиоштоация с основного состояния, ультрафиолетовая область), сильные линии Аг II —

Для плазмы натрия интегральные оптические характеристики рассчитывались в диапаоонах температур от 1000 до 20000 К и давлений от 0.1 бар до 20 бар и толщин 0.1, 1.0, 1.5, 2.0, 5.0, 10, 20, 30 и 100 см.

На рис.11 представлены типичные оависимости степени черноты плусферического объема от температуры, имеющие ярко выраженный немонотонный характер, что свойственно излучению плазмы всех щелочных металлов, обладающих ниоким потенциалом ионизации.

Помимо перечисленных выше интегральных оптических характеристик для плазмы аргона были рассчитаны парциальные характеристики, составляющие основу интегрального подхода решения задачи теплообмена— метода парциальных характеристик7.

Глава 10. Посвящена расчету электрической дуги, стабилизированной стенками канала, с учетом радиационного теплообмена на оспо-

* Радиационный теплоперснос в высохотемпературных твоах: Справочннх/ Гоповнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С., Ковальсхаа Г.А., Севастьяненхо В.Г., Солоухин Р.И. - М.: Энергоатомкодат, 1984 - 256 С.

3Р - 3D.

ве метода парциальных характеристик. Подобные дуги широко используются в экспериментальной практике для определения транспортных свойств низкотемпературной плазмы.

Рассматривается осесимметричная дуга постоянного тока с неизменными по длине параметрами, горящая в цилиндрическом канале с охлаждаемыми стенками. Уравнение энергии для такой дуги есть

ЭТ 1 Э / дТ\ .

Это уравнение аппроксимируется разностной схемой второго порядка точности по координате г с итерациями по нелинейности

('+») , ('+1) ('+1) (•) М Т{ -7? 1 1 (') Т ~ Т ,• (')

- — —--(.А,+1/2 П+1/2-Т--А,-1/2 Г1-1/2Х

т Дг Г{ Дг

(1+1) (.+1) .

Т г- Т ,-1ч , (')

х---)+ о- .Е< -Чжи

Дг

которая решается методом прогонок. Радиационные потери дк на основе метода парциальных характеристик определяются следующим образом. Для расчета интенсивности излучения в точке X в направлении П (рис. 12) вычисляется интеграл J(XiSl) = AJ(T(,pí,Tx,Px,X)d£, где Д7 — парциальная интенсивность, параметры Т(, р^ равны температуре и давлению в точке £ и являются параметрами источника; параметры Ту, р% — температура и давление в расчетной точке X.

После расчета поля интенсивности поле потоков вычисляется по формуле Б{Х) =

Для определения дивергенции потоков излучения необходимо предварительно в точке X рассчитать величину

VJ(X,ÍÍ) = 8от(Х,£) - ЛдБпп(Т£>р0Тх,рх,Х)с%.

\ь *х

Здесь Бот^, Ь) = Л, АГ) — эффективный источник фо-

тонов, вышедших из точки X в направлении, обратном О с учетом поглощения фотонов на пути X —» Ь. Значения 8от(ЛГ,£) и ДБип от своих аргументов определяются путем интерполирования табличных

□качений, причем температура Тх и давление рх являются параметрами источника, а и р^ — температура и давление на границе получающего объема.

После расчета величины V./ определяется дивергенция потока

На рис. 13 приведены реоультаты расчета дуги в воодухе. Обсчитывался эксперимент8 для стабилизирующего канала с с1 = 0.5 см и / = 60 А (рис.13а). Установившийся расчетный температурный профиль хороню согласуется с экспериментальным. С увеличением диаметра стабилиоируещего канала и тока дуги роль радиационного теплообмена воорастает и становится преобладающей (рис.136).

В приложении приведены таблицы спектральных и интегральных оптических характеристик плазм аргопа и натрия, а также акты внедрения реоультатов исследований в сторонних органиоациях.

1. С учетом получения и реальных физических свойств исследованы особенности инициирования Т-слояв гаоовых потоках, которые могут быть испольоовапы как рабочие среды в экспериментальных и натурных М ГД-установках. Установлены следующие [закономерности: --Динамика раовития Т -слоя на иоохорическом воомущении температуры определяется процессом распада начальной области повышенного давления.

-В плазме с легкоионеоируемой присадкой до момепта установления ио-ниоациошюго равновесия образование Т-слоя не происходит, а времена установления ионизационного равповесия и формирования Т-слоя в значительной степени зависят от напряженности магнитного поля. -Формирование Т-слоя не должпо проходить при сильном гидромагнитном взаимодействии т.к. в противном случае ото приводит: а) к распаду Т-слоя и расширению токовой зоны; б) образованию сильной

1 Асннонский Э.И., Ниоонский В.Л , Шабашон И.И. Экспериментальное исследонаннс переносных свойств плаамы воодуха и углекислого гаоа в стабшшоирошишой олектрн-ческой дуге//Генераторы плазменных струй и сильноточные дуй,- Л.: Наука,— 1973,-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С.

отраженной от Т-слоя ударной волны и гак следствие росту необратимых потерь в канале. Для сред с ниоким потенциалом ионизации это является еще одним фактором увеличения токовой ооны. -Проведенные исследования не дали однозначного ответа о возможности инициирования Т-слоя в продуктах сгорания органических топлив и для решения этой проблемы необходимо получение дополнительных, преимущественно экспериментальных результатов.

2. 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 него.

3. По совокупности полученных результатов можно сделать вывод о принципиальной возможности организации течений с токонесущим слоем в МГД-генераторах, работающих, по крайней мере, в замкнутом энергетическом цикле.

4. На основе разработанных математических моделей различного уровня и вычислительного вксперимента исследован процесс ускорения легких диэлектрических ударников в электромагнитных ускорителях рельсового типа:

- 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 плазмы в канале рельсового ускорителя с пространственно неоднородным магнитным полем и поверхностью электродов.

- Установлена взаимосвязь основных механизмов потери импульса в ускорительном тракте: турбулентного трения, силы магнитного торможения, поступления эрооионной массы и их роль в ограничении скорости метания. Каждый го этих механизмов потерь, будучи малоона-

чительным сам по себе, начинает играть определяющую роль в совокупности с другими.

5. Предложена и обоснована модель эрооии стенок канала РЭУ, [заключающаяся в том, что под воздействием радиационных потоков тепла ип плазменной области происходит плавление поверхности, разрушение пленки расплава вследствие развития различных типов неустой-чивостей, увлечение капель потоком плазмы с последующим их испарением. Этот процесс оказывает также определяющее влияние па баланс энергии вблизи стенки.

6. Показана возможность существенного повышения скорости метания без увеличения механических и тепловых нагрузок на конструкцию ускорителя с сегментированным каналом если передача энергии от электромагнитного поля телу осуществляется посредством быстрых коротких импульсов магнитной силы в каждой секции.

7. Впервые в широком диапазоне температур и давлений с учетом влияния микрополей в плазме рассчитаны спектральные и интегральные оптические характеристики плазм аргона и натрия, являющиеся основой расчета теплообмена излучением.

8. Выполнен расчет электрической дуги, стабилизированной стенками канала, с учетом радиационного теплообмена, определяемого по методу парциальных характеристик. Обнаружено, что с увеличением диаметра стабилгоируещего капала и тока дуги роль радиационного теплообмена становится преобладающей в формировании температурного профиля.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гриднев Н.П., Кацнельсон С.С., Фомичев В.П. Неоднородные МГД-течения с Т-слоем.- Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984 - 177

С.

2. Радиационный теплоперенос в высокотемпературных газах: Справочник/ Головнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С. и др.; Под редакцией чл.-корр. АН СССР Р.И. Солоухина.- М.: Энергоатом-издат, 1984 - 256 С.

3. Кацпельсон С.С., Ковальская Г.А. Теплофизические и оптические свойства аргоновой плазмы — Новосибирск: Наука, 1985.— 147 С.

4. Гриднев Н.П., Деревянко В.А., Кацнельсон С.С., Куликов В.Ф. Исследование двумерных нестационарных газодинамических и магни-тогидродинамических течений в радиальном канале//Фиоическая газодинамика- Новосибирск: Иод. ИТПМ СО АН СССР, 1976.-вып. 6 - С. 166-168.

5. Кацнельсон С.С., Славин B.C. Расчет течения плаомы в радиальном МГД-канале с учетом двумерности магнитного поля//Магнитная гидродинамика.- 1977 - No 1.- С. 49-55.

6. Кацнельсон С.С., Славин B.C., Соколов B.C. Размножение и распад Т-слоя вследствие перегревной неустойчивости//Численные методы в фиоике плаомы.- М.: Наука, 1977.- С. 122-124.

7. Кацнельсон С.С., Славин B.C. Численное моделирование процессов воаимодействия потока плаомы оа сильной ударной волной с поперечным магнитным полем//ТВТ- 1977 - Т. 15, No 2 - С. 322-329.

8. Гриднев Н.П., Кацнельсон С.С. Расчет нестационарных двумерных магнитогидродинамических течений в радиальном канале//Магнитная гидродинамика.- 1978.- No 2 - С. 77-82.

9. Кацнельсон С.С., Керкис А.Ю., Поздняков Г.А. и др. Искусственное инициирование Т-слоя в потоке плаомы, взаимодействующей с магнитным полем//ЧММСС - 1978- Т. 9 - No 5 - С. 146-162.

10. Кацнельсон С.С. Возможность создания МГДГ на Т-слое с использованием в качестве рабочего тела фторидов тяжелых метал-лов//Вопросы магнитной газодинамики,- Новосибирск: иод. ИТПМ СО АН СССР, 1979 - С. 120-169.

11. A.C. 791.175 СССР. Способ получения электроэнергии в магнито-гидродинамическом генераторе/Деревянко В.А., Кацнельсон С.С., Славин B.C., Соколов B.C.- БИ - 1980 - No 47.

12. Гриднев Н.П., Кацнельсон С.С., Поздняков Г.А. и др. Дисковый МГД-генератор с неоднородным по проводимости потоком//Т^уды

8-ой Межд. копф. по МГД-преобраоовапию эпергии.-М.: ИВТАН, 1983,- Т. 4.- С. 160-163.

13. Katsnelson S.S. Disk MHD-Generation with Т-1ауег//Ргос. of the 32 nd SEAM. Puttsburgh, USA, 1994,- P. 325—333.

14. Katsnelson S.S. MHD-Flows with TC-Layers//Proc. of the Eighth Beer- Sheva International Seminar on MHD-Flows and Turbylence. Jerusalem, Israel, 1996.

15. Кацнельсоп C.C., Загорский A.B. Магпитогидродипамическоеуправление потоком в рабочем тракте ГПВРД//Теплофиоика и аэромеханика.- 1997.- Т. 4.- С. 41-46.

16. Загорский A.B., Кацнельсон С.С. Математические модели плазменного поршня в рельсовом ускорителе//Материалы I Всесоюоного семинара по динамике сильноточного дугового раоряда в магнитном поле.- Новосибирск, 1990.- С. 8-37.

17. Кацнельсон С.С. Развитие обобщенной модели токовой неремычки-//Иов. СО АН СССР. Сер. техн. наук,- 1990,- Вып. 2.- С. 83-90.

18. Загорский A.B., Кацнельсон С.С. Динамика плазменного поршня в канале рельсового ускорителя масс//ТВТ.~ 1991,- Т. 29, No 3.- С. 446-452.

19. Загорский A.B., Кацнельсон С.С. Особенности работы одно-и многосекционных рельсотронов //Материалы II Всесоюоного семинара по динамике сильноточного дугового раоряда в магнитном поле.-Новосибирск, 1991- С. 203-215.

20. Загорский A.B., Кацнельсон С.С. Исследование структуры плазменного поршня в рельсотроне в двумерном приближении//Там же - С. 245-253.

21. Загорский A.B., Кацнельсон С.С., Правдин С.С., Фомичев В.П. О роли лидера в канале рельсотрона при больших скоростях метания//-Сибирский физико-технический журнал.- 1992,- вып. 4.- С. 50-54.

22. Желейный В.Б., Загорский А.В., Кацнельсон С.С. и др. Теоретическое и экспериментальное моделирование работы рельсового ускорителя//ПМТФ.~ 1993 - No 2.- С. 32-35

23. Katsnelson S.S., Zagorskii A.V. Mathematical modelling of dynamics of plasma armature in railgun// Proc. 4-th European Symposioum on Electromagnetic Launch Technology. Celle, Germany.- 1993.

24. Загорский A.B., Кацнельсон C.C. Повышение эффективности электромагнитных и электротермических ускорителей//Препринт No 1-94 - Новосибирск: ИТПМ СО РАН, 1994 - 41 С.

25. Katsnelson S.S., Zagorskii A.V. The ET-launcher operation with mass supply and distributed heat sources//IEEE Trans. Magn.- 1995.- V. 31.- No 1- P. 463-466.

26. Katsnelson S.S., Zagorskii A.V. MHD-aspects of EML effciency due to channel segmentation//Ibid - P. 320-325.

27. Katsnelson S.S., Zagorskii A.V. Spatial effects in a railgun plasma armature//IEEE Trans. Magn - 1997.- V. 33 - No 1- P. 92-97.

28. Кацнельсон С.С., Нефедова В.А. Расчет спектрального коэффициента поглощения в аргоне//Аэрофиоические исследования.- Новосибирск: Иод. ИТПМ СО АН СССР, 1973,- вып. 2.- С. 8-10.

29. Вагин С.П., Кацнельсон С.С., Яковлев В.И. Расчет радиационных характеристик аргоновой плазмы//Методы исследования радиационных свойств среды.- Новосибирск: Иод. ИТПМ СО АН СССР, 1977.- С. 30-187.

30. Головнев И.Ф., Замураев В.П., Кацнельсон С.С., Ковальская Г.А., Масленникова И.И., Севастьяненко В.Г., Солоухин Р.И. Численное моделирование переноса излучением в реальных средах//ЧММСС-1979.- Т. 10.- No 3.- С. 36-39.

31. Кацнельсон С.С., Севастьяненко В.Г., Солоухин Р.И. Радиационный теплоперенос в плазме аргона//ИФЖ.- 1984.- Т. XLVI, No 2.-С. 299-303.

к

л

Гг Ь

М*Х\

и

Ряс. 1. Раоавтие температурного. воомуэдйЯ'да в аота&з на 6ольл:»х щ.емсиах {Аг + ОЛ % Сё). г-6С0 иле (кривая 1); £00 иге (2).

т-ю ю-1

А

1\

# /

ор

2,5

¿'КС. 2, Днпамжка яомеаеннз температуры по длзяв зчяняа. (Аргон). Н„ = Н0зт(2;г?Д„), I - 100 м*с (кривая 1); 2С0 (2) и 300 (3).

Рис. 3. Динамика рапватяя -готового слоя (Не + 1.5%Са) в режимя с начальными условиями: Р=3.2 ат, II=3.3 км/с, Ге = — Т — 2040 К, Я„=20 кЭ; а - температура электронов и тяжелых частиц; б -плотность электронов. Символом * отмечен момент установления иониоационного равновесия.

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки, а - радиальный канал, Ь - электродная вставка.

Рис. 5. Поле температур в МГД-канале в различные моменты

времени.

в -1=240 мхе, б - {=288 тс, в - 4=366 мкс. Г/Т0=1 (1); 2 (2); 2.5 (3); 3 (4); 3.5 (5); 4 (6); 4.5 (7); 5 (8); 5.5 (9); 6 (10); 6.5 (11); 7 (12).

с 2

л

и

Сн

... , , -(0 / \ 1 1 р 1 -

V \ А 1 / 1

-0,75 / \

'У 5.0-

\

\ 1 1 1 1

0,05

0,1 0,15

Кис)

0,2

Ряс. 7. Иоменение тока, длины ПП н давления на теле в процессе ускорения.

лнпо-Соют", РОССИЯ сша

3 4 5 6 7 Утеор (км/с)

Рис. 8. Сравнительные данные достижимых скоростей метания (расчет - эксперимент).

Рве. 9. Принципиальная схема.

го

10/

Скорость

• 5 .5 уал/с

с Темперв1уР« (Ю*К)

<Д ГГлоткосггъ (кг/м3)

охю

0.70 ООО ОЛ& ОД0

ОАО бОО

П-'см) х(с»£ )

шло 1ЛЛО ЙО.ОО еехю

Рис. 10. Распределение параметров на момент времени, когда скорость МТ достигла 5.5 км/с

полусферического объема плазмы натрия, р = O.Soap.

Ряс. 12. К расчету

дивергенции потока полу ; пил.

1

Рис. 13. Распределение параметров в дуговом столбе в воодухе по радиусу: 1 - ддх, 2-qT,3- qto, 4 - Т(г) -расчет, 5 - Т(г) - эксперимент, a: d - 5мм, I = 60А; б: d = 20мм, I = 200А.