Параметры плазмы в Холловском канале закритической области магнитного поля тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

он

• ' С' . : РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

МАРХОТОК Анна Алексеевна

ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЫ В ХОЛЛОВСКОМ КАНАЛЕ В ЗАКРИТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

(01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург * 1996

Работа выполнена в Физико - техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН .

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- доктор физико'- математических наук, С.В.Бобашев.

- доктор технических наук ВЛ.Горячев,

Ведущая организация

-кандидат

физико-математических наук С.ИРозов.

-- ^ВВМИУ им. В.ИЛенина ,

г. Пушкин.

/Г

Защита состоится — 1996 года в—----------------часовне

заседании (диссертационного совета К 003.23.03 при Физико - техническом институте им. АФ.Иоффе РАН по адресу: 194 021, Санкт - Петербург, Политехническая улица, дом 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. ¿¿У ¿Г

Автореферат разослан \ 996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 003.23.03

кандидат физико-математических наук Б.Г.Жуков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы

В настоящее время в области МГД-преобразования одной из основных задач является поиск путей повышения эффективной проводимости плазмы МГД-каналов.

Традиционный путь связан с вводом в поток различных ионизующих присадок /1,2/, облегчающих ионизацию, однако, неблагоприятен в экологическом отношении. Второе направление связано с искусственным созданием в плазме высокопроводящих слоев ( так называемые Т-слои ) /3,4/.

Данная работа продолжает исследования в рамках третьего направления, в котором используется неравновесно ионизованная плазма чистых инертных газов с самопроизвольно развивающимися неоднородностями (вследствие развития ионизационной неустойчивости ) . Преимущества этого способа связаны с отсутствием проблем , связанных с присадкой, а также с обнаруженным в предыдущих исследованиях безэлектродного короткозамкнутого Фарадеевского канала непрерывным ростом проводимости при увеличении магнитного поля /5 /.

Содержанием данной работы является исследование параметров ионизационно неустойчивой плазмы МГД-канала при условии протекания не только кольцевого , но и радиального Холловского тока. Наличие Холловского тока и связанного с ним сьема энергии может ^щественно изменить как условия развития ионизационной неустойчивости, так и режимы протекания токов в канале, развитие которых, в конечном итоге, определяет эффективность выбранного способа преобразования. В случае организации в плазме условий, приводящих к возрастанию с магнитным полем эффективной проводимости , ее можно рекомендовать дна дальнейшего исследования в качестве перспективного рабочего тела МГД генераторов.

Работа имеет как прикладное, так и фундаментальное значение лл*' физики и техники плазмы.

Целями представленной работы являлись :

Исследование поведения параметров плазмы дискового Холловского канала с неравновесной ионизацией в условиях развития ионизац' энной неустойчивости при изменении магнитного поля и коэффициентов нагрузки.

- Определение влияния лриэлектродных явлений на объемные процессы в плазме.

- Выявление влияния протекания Холловского тока на условия развития ионизационной неустойчивости

Установление закономерности изменения эффективной проводимости и снимаемой мощности с ростом маг итного поля за его критические значения со степенью эакритичности около двух.

В процессе работы предполагалось:

1. "Провести серию экспериментов по влиянию развития ионизационной неустойчивости и протекания через плазму Холловского тока на параметры плазмы при юменениии магнитного поля в широком диапазоне эакритичности и приближении величин нагрузок к внутреннему сопротивлению плазмы.

2. Измерить распределение потенциала в плазме и оценить влияние приэлектродного падения потенциала на параметры плазмы в обьеме.

3. Выявить зависимость изменения эффективной проводимости и снимаемой мощис ти от величины магнитного поля и коэффициента нагрузки.

Обьь..гы исследования:

В качестве обьекта исследования была выбрана ионизационно неустойчивая плазма инертного газа < Ксенон). Выбор ксенона обусловлен тем, что ок обладает достаточно низким потенциалом ионизации, а также является достаточно тяжелым для получения высоких чисел Маха в ударной трубе.

Холловский тип канала выбран с целью исследования протекания радиальных токов .Форма канала - дисковая. Газодинамические режимы были взяты на осноеаниии рекомендации предыдущих исследователей . как известные, на когооьос в условиях данной установки может развиваться ионизационная неустойчивость. Для сравнения использовался режим,также и эеестный как устойчивый.

Научная новизна работы:

1. Впервые исследовано влияние развития ионизационной неустойчивости на параметры плазмы чистого инертного газа с неравновесной ионизацией в дисковом канале при условии протекания Холловского тока.

Обнаружено возрастание эффективной проводимости с ма-нитным

полем.

2. Создана методика определения эффективной проводимости плазмы в ядре потока, вдали от электродов.

3. Обнаружено затягивание развития ионизационной неустойчивости с уменьшением нагрузки.

4. Определены механизмы замыкания токов через электрод для случая чистых инертных газов . Обнаружен режим нагружения, при котором ток через электрод протекает практически без призлектродного падения.

5. Оценено влияние призлектродного падения на параметры плазмы.

6. - На зависимости удельной мощности от коэффициента нагрузки наблюдается сдвиг координаты максимума мощности в сторону больших значений с магнитным полем. Максимальное значение мощности при развитии ионизационной неустойчивости значительно выше по сравнению с ситуацией замороженной ионизации.

Практическая значимость работы:

Практическая значимость работы заключается в обнаружении возрастания эффективной проводимости плазмы чистого инертного газа и снимаемой мощности с магнитным ппем при образовании в потоке ионизационных страт й возможности рекомендации к ее дальнейшему исследованию в качестве перспективного рабочего тела МГД-генераторов.

На защиту выносятся следующие положения :

1. Методика определения эффективной проводимости плазмы в ядре потока.

2. Установлено, что развитие ионизационной неустойчивости способствует увеличению эффективной проводимости с магнитным полем в ядре потока.

3. Обнаружено затягивание развития ионизационной неустойчивости о уменьшением нагрузки.

4. Оцене а степень влияния приэлектродных процессов на параметры плазмы.

Б. Установлен вид зависимости снимаемой мощности от коэффициента нагрузки. Координаты максимумов сдвинуты в сторону больших значений коэффициентов нагрузки. Значение максимальной мощности при развитии ионизационной неустойчивости выше по сравнению со случаем замороженной ионизации.

Апробация работы:

Результаты работы доложены на следующих международных конференциях, семинарах и симпозиумах:

1. семинаре " Проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в энергетике" ( Киев, 1993)

2. Международной конференции по физике и технике плазмы { Минск,

1994)

3. 32-м Симпозиуме по инженерным аспектам магнитной гидродинамики

(США, Питтсбург ,1994)

4. ЗЭ-м .., Симпозиуме по инженерным аспектам магнитной гидродинамики

(США, Туллахома, 1995).

Публикации : по материалам диссертации опубликованы 1 статья и тезисы 4 докладов в сборниках трудов различных конференций , семинаров и симпозиумов.

Структура и обьем диссертации:

Диссертация включает введение , 4 главы, заключение и список литературы. Она содержит 88 страниц машинописного текста, 78 рисунков. 3 списке цитированной литературы 82 наименования.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, приведены основные защищаемые положения, обоснована научная и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации представлен критический обзор экспериментальных и теоретических работ по исследованию ионизационной неустойчивости в плазме положительного столба и МГД-каналах, а также проводимости для случаев ламинарной и турбулентной плазмы.

Приведены общие сведения о теории развития ионизационной неустойчивости и лиянии на ее развитие различных условий в обьеме плазмы или на ее границах.

Анализ теоретических >: экспериментальных исследований показал, что в плазме чистых инертных газов в областях с повышенной температурой электронов степень ионизации при развитии ионизационной неустойчивости непрерывно возрастает , в то время как в газах с присадками происходит ее насыщение вследствие полной ионизации присадки. Предполагается, что протекание Холловского тока при развитии* ионизационной неустойчивости может изменить условия в плазме и привести к уменьшению ее внутреннего сопротивления с магнитным полем.

В конце главы сформулирована задача диссертационной работы.

Во второй глаь^ описаны экспериментальная установка и методы измерения параметров плазмы.

Для проведения экспериментов использовалась установка, состоящая из диафрагменной ударно., трубы, сочлененной с моделью дискового Холловского МГД-канала. КПД ударной трубы откачивалась до давлений 2.5 10 гмм рт. ст., КНД - 5■10'' мм рт.ст., и заполнялись толкающим газом (Не ) с давлением 20 атм и рабочим { Хе ) с давлением 26 и 13 мм рт. ст.

О • 6

Температура рабочего газа-20 С, толкающего - 20 и 300 С. Разворот потока из цилиндрической ударной трубы в дисковый канал осуществляется посредством разворачивающего сопла.

Нагрузка замыкала радиальный Холловский ток через кольцевые электроды, расположенные на внутренней стенке МГД-канала. Использовались нагрузки как много большие, так и сравнимые с внутренним сопротивлением плазмы.

Магнитное пол7; создавалось двумя параллельно подключенными катушками, одетыми на сердечник из Армко, через котооые пропускался постоянный ток до 40 А. Величина магнитного поля варьировалась от 0.1 до 1.4 Тл.

Со стороны внешней стенкк канала закреплялись катушки индуктивности, измеряющие локальные плотности токов. Локальные значения этих токов определялись из измерения напряжения на емкости в интегрирующей цепи локальных катушек, через тарировочный коэффициент К

Между кольцевыми электродами, по одному радиусу, располагались штыревые электроды, с помощью которых производилось измерение распределения потенциала плазмы. Исследовались 3 газодинамические режима - два из них неустойчивы ( различаются расположением кольцевых электродов и условиями на входе ) , один - устойчивый. В неустойчивом режиме N2 исследования ограничены величиной магнитного поля В»1.2 Т, при котором в канал начинает входить отраженная ударная волна , тормозящая поток. В устойчивом режиме N4 при В > 0.7 Т также начинает сказываться МГД-торможение. Уотойчивый режим используется для сравнения тенденций изменения параметров плазмы с магнитным полем и коэффициентом нагручи. Все приводимые в автореферате результаты относятся к режиму 2.

Параметры режимов 2и2-а: ^

Рн » 2* мм рт.ст. Рв - 20.8 атм Тв - Тн - 20 С Начальные параметры на входе: 2

Ро-батм £ -1.37 кг/м'мо-1.21 Ы, -0.310 П-ао-0.625 10 1/м*; <?0 -32ССМ/М Тао - 5936*С ( Тео - 5900*С

В третьей главе диссертации изложены метод и результаты численного расчета распределения параметров плазмы вдоль радиуса канала в предположении устойчивости, используемого для сравнения экспериментальных результатов. Зависимости представлены для относительных величин. Распределение параметров определяется тремя конкурирующими процессами:

1. радиальным сверхзвуковым расширением газа, прводящим к ускорении и охлаждению потока, падению концентрации атомов и электронов, неравновесной степени ионизации и проводимости^

2. МГД-торможением, которое становится заметным при В>0.5 Т, и приводящее к увеличению температуры газа и электронов, росту концентрации и степени ионизации',

3. селективным нагревом электронов в магнитном поле, приводящее к росту их температурч, концентрации,степени ионизации и проводимости.

В результате совместного действия трех процессов при В<0.5 Ти разомкнутых электродах поисходит ускорение потока, рост числа Маха, температуры электронов и проводимости . Температура , давление и концентрация атомов падает. Отвод энергии во внешнюю цепь через нагрузку, сравнимую с внутренним сопротивлением плазмы, приводит к уменьшению с радиусом Те и более медленному возрастанию пе. Это приводит к возрастанию г. раметра Холла за счет падения средней частоты

столкновений и падению проводимости Од . С увеличением магнитного поля до 1Т наблюдается тенденция к росту с радиусом температуры и концентрации электронов, ускореним роста степени ионизации. МГД-торможение потока проявляется значительно сильнее. Это приводит к падающей с радиусом зависимости параметра Холла и более сильному росту проводимости на всех нагрузках.

Рассчитанная ВАХ близка к измеренной. Счет верно определяет наблюдаемые в эксперименте основные тенденции изменения параметров с магнитным полем и коэффициентами нагрузок.

В четвертой глазе диссертации приведены результаты экспериментального исследования.

1. Проведенная обработка пульсаций тока для среднеквадратичного отклонения радиального тока от среднего

в зависимости от магнитного поля позволяет найти величину критического магнитного поля. Обнаружено затягивание развития неустойчивости с уменьшением нагрузки, что обьясничтся падением температуры злектроноз

с отводом энергии от плазмы и замедлением скорости роста электротермических волн при развитии ионизационных страт.

2. Е ольт-амперная характеристика ( рис.1 ) строилась на основе измерения напряжений на нагрузке и токов через нее для различных значений магнитного поля. Точная величина малых нагрузок проверялась методом емкостного разряда. ВАХ канала имеет немонотонный характер. Выпуклости на ВАХ соответствуют режиму протекания токов с уменьшением приэлектродного падения. При отсутствии неустойчивости выпуклостей не наблюдается. Это позволяет сделать вывод о том, что развитие ионизационных страт в условиях протекания значительных Холловских токов может способствовать переходу к режиму с наименьшим падением потенциала на электродах.

3. Измеренное распределение потенциала показывает, что оно имеет нелинейный вид, обусловленный призлектродными падениями потенциала. Падение потенциала у катода больше, чем у анода Оценка относительного влияния приэлектродного падения потенциала ( рис.Э ) ( к величине напряжения на нагрузке) показывает, что на меньшей нагрузке оно больше ( при больших токах ) и уменьшается с магнитным полем. При этом, абсолютная величина падения растет с уменьшением нагрузки и увеличением магнитного поля. На нагрузке 0.3 Ом, при превышении магнитным полем критического значения , как относительная, так и абсолю шя величина приэлектродного падения, стремится к нулю.

4. Вследствие низких температур электродов, для наблюдаемых в эксперименте токов термоэлектронной эмиссии , как показыват расчет, недостаточно. Для инертных газов с относительно высоким потенциалом ионизации ( по сравнению с присадками ) замыкание токов оказалось возможным благодаря механизму потенциальной эмиссии электронов при взаимодействии частиц с поверхностью катода, для обеспечения которого необходимо , чтобы потенциал ионизации превышал удвоенную работу выхода электрона . Проведенный оценочный расчет для условии эксперимента дает величину плотности тока по порядку совпадающей с наблюдаемой в эксперименте.

5. Эффективная проводимость

(1)

( рио.2 ) рассчитывалась в ядре потока по падению потенциала плазмы на определенном участке 2-4 длиной Л4 - Л? ( по измерениям со штыревых электродов):

Величина ЭДС, измеренная при условии разомкнутых электродов, была скорректирована с помощью поправки , учитывающей влияние протекания Холловского тока, взятой из численного счета и дополнена вычисленным

эффективным значением параметра Холла по отношению Jrl J<p :

Скорость потока в зависимости от магнитного поля измерялась в предыдущих работах [51. Величина призлектродного падения определялась в эксперименте для малых токов по излому кривой зависимости напряжения на нагрузке и кривой ЭДС от магнитного поля, который соответствовал началу протекания тока, а в общем случае из обработки системы двух уравнений,- содержащей проекцию уравнения закона Ома на радиальное направление и уравнение (2), описывающее связь потенциала в плазме с з внутренними параметрами. Величина определенного таким образом падения потенциала достигает 50 В, Измеренная величина эффективной

тя

(3)

проводимости относится к области в ядре потока, вдали от электродов. Средняя погрешность определения - 50 %. Как показывают результаты, при переходе через критические значения магнитного поля наблюдается существенный рост проводимости на всех нагрузках. На больших нагрузках проводимость больше.

6. Определена величина снимаемой мощности от коэффициента нагрузки (рис.4). С магнитным полем мощность увеличивается. Наблюдаемый, в неустойчивом случае сдвиг координат максимумов в сторону больших значений коэффициентов нагрузки может обьясняться ростом проводимости о увеличением нагрузки. Приэлектрсдное падение сдвигает координату максимума в сторону меньших коэффициентов. Сравнение в закритических режимах, с расчетной величиной мощности для случая замороженной проводимости (То ( рис.5 ) показывает, что рост максимальной мощности обусловлен ростом эффективной проводимости в плазме.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ:

1. Обнаружено затягивание развития неустойчивости с уменьшением нагрузки.

2. Установлено, что вид ВАХ имеет немонотонный характер, который обусловлен зависимостью приэлектродных падений от величины т ска.

3. Определена степень влияния приэлектродных процессов на распределение потенциала в плазме. Показано, что относительное влияние приэлектродного падения потенциала возрастает, с увеличением тока и падает с магнитным полем.

4. Установлен значительный рост эффективной проводимости в обьеме плазмы с увеличении магнитного поля при развитие ионизационной неуст ойчивости со степенью закритичности до двух.

5. Определена величина максимальной мощности в зависимости от коэффициента нагрузки. Сдвиг координаты максимума удельной мощности обусловлен ростом проводимости о увеличением нагрузки. С развитием ионизационной неустойчивости максимальная мощность превышает соответствующую величии/ для случая замороженной ионизации.

6. Увеличение эффективной проводимости и снимаемой мощности о магнитным полем при переходе к иониэационно неустойчивым режимам

позволяет рекомендовать плазму чистых инертных газов к дальнейшему исследованию как перспективное рабочее тело МГД- генераторов.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Р.В .Васильева, А.В .Ерофеев, ААМэрхоток. Ионизационно неустойчивая плазма инертнсго газа в дисковом канале холловского типа./проблемы преобразования энергии и рационального использования органического топлива в знергетике.Тез. докл. семинара.- Киев. 1993

2. Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев, АД.Зуез, ЕАДьяконова, ААМархоток. Особенности поведения параметров плазмы инертного газа в Холловском МГД-канале при развитии ионизационной неустойчивости.- Письма в ЖТФ. 1994.T.20.N.13.C. 27-33.

3. РВ.Васильева, А.В .Ерофеев, АД.Зуев, ЕАДьяконова, АЛ. Мархоток. О возрастании эффективной проводимости при .развитии ионизационной неустойчивости в МГД-канапах. К" ждународная конференция по физике и технике плазмы.- Минск. 1994.

4. FlV.Vasileva , AV-Erofeev, AD.Zuev.EADIakonova and AAMarkiiotok.

Caracteristics of pure noble gas Hall MGD generator in environs of critical magnetic l

field. Proceedings of the 32-nd SEAM. - Pittsburg. 1994. s.10 .

5. R.V.Vaslleva, A-V£rofeev, A-D-Zuev, EADiakonova and AAMarfchotok. Parameters of pure noble gas disk MGD channel at developed lonisationa! instability. Proceedings of 32-nd SEAM. —Tullahoma. 1995. TN.2 4-1-2 4-5.

Рис.1. Волы-амперные характеристики для различных значений магнитного поля.

Си См/М

Рмс.г, Эффективная проводимость в зависимости от магнитного поля для различных нагрузон.

: \ оло» ........1Чл\т'03;С>т';........•.......

О й2 0.4 0.6 0.6 1.0 Х2 14 Р ис. 3. Относительное влияние приэлектрод -ного падения для трех нагрузок.

- 15 -N МВТ/м4

Рис.Ч. Удельная мощность от коэффициент» нагрузки для различных значений магнитного поля.

Рис.5. Максимальная мощность из эксперимента и расчетная для случая замороженной ионизации.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 J4Harada, T.Okamura, KNakamlsh) ДЫота. Characteristics of disc MHD Generator with Inlet ewW. Proceedings of (he 33-nd SEAM.-TuHahoma.TN.3.2-1.

2. A.Veevkend, V.S.Bajovik.W.F.H.Merk Basic characteristics of hot nonunfformffies as gaseous conductors hi MGD-generators. Proceedings of the 32-nd SEAM. Pittsburg.1994.8.4

3. В АБитюрин. Эффекты неоднородности в линейных МГД-каналах. Автореф. дисс. на... докт. ф.-м. наук.-М.: ИВТАН. 1994

4. З.С.Славин, В.С.Соколов, ВАДерввяико.// Сб. науч. тр. - Киев: Н^/кова думка. 1979

5. PJ3 Васильева, АЛ.Генкин, В АТорячев и др. Низкотемпературная плазма инертных гатов с неравновесной ионизацией в И*Д-каналв и МГД--енераторы.-С.-Петербург: ФТИ РАН.1991

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 253, тир. 100, уч.-изд. л. 0,8; 22/IV-1996 г. Бесплатно