Процессы переноса в двумерных течениях эрозионной плазмы мощных электрических разрядов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Академия наук Беларуси Академический научный комплекс "Институт тепло- и массообмена имени A.B.Лыкова"

\П

сг> сп

из kS>

О"

Овунев Виктор Евгеньевич

УДК 533.9

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ДВУМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1995

Работа выполнена в Академическом научной комплексе "Институт тепло- и моссообмена им. А.В.Лыкова".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Оппонирующая организация:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Г.С.Романов

доктор фшико-математических наук, профессор Л.Я.Минько

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Н.Н.Столович

Физико-технический институт АН Беларуси

Защита диссертации состоится "/'* 1995 г. в /У часов на

заседании совета Л 006.12.01 во защите диссертаций при ИТМО АН Беларуси по адресу: г. Минск, ГСП, ул. П.Бровки, 15.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке института.

Автореферат разослан "//* . 1995 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций

кандидат физико-математических наук 7~ & . Г.С.Романов ©АНК "Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова" AHB, 1995

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В последнее время значительное развитие и распространение получило направление работ, связанное с физикой плотной излучающей электроразрядной плазмы в магнитных полях. Это вызвало тем, что данные исследования находят многочисленные приложения в таких областях пауки и техники как квантовая электроника, фотохимия, управляемый термоядер-вый синтез, взаимодействие излучения с веществом, вхождение тел в плотные слои атмосферы, физика космической плазмы, физика взрыва, плазменная технология, сильноточная импульсная высоковольтная техника.

Сильноточные самосжатые разряды привлекли к себе внимание еще в 50-х годах в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза как возможные источники высокотемпературной нлазмы для инициирования термоядерных реакций. Развитие квантовой электроники потребовало разработки мощных источников света для энергетической накачки лазеров. Обычные ксепоповые лампы, используемые для накачки твердотельных оптических квантовых генераторов, не вполне удовлетворяли запросы техники. Широкое распространение получили сильноточные электроразрядные источники света, которые отличаются от импульсных ксеяоновых ламп в десятки и сотни раз более высокими потоками и широким спектром излучения от видимой до ультрафиолетовой области.

Изучение плотной и сравнительно низкотемпературной плазмы, получаемой в сильноточных разрядах, когда процессы переноса излучения играют определяющую роль в динамике и энергетике плазыы, представляет л чисто научный интерес с точки зрения понимания и дальнейшего лабораторного моделирования процессов в плазме некоторых космических образований. Кроме того, изучение плотгой низкотемпературной плазмы представляет интерес, так как в такой плазме нарушается идеальность вследствие сильного кулоновского взаимодействия заряженных частия.

Настоящая работа посвяшена численному моделированию ра-диационяо-газодинамических процессов, протекающих в сильноточных импульсных капиллярном и мапштоарижатом разрядах. Теоретическое изучение сильноточных эрозионных разрядов представляет значительные трудности, заключающиеся как в большом количестве разнообразных физических процессов, сопровождающих динамику развития разряда, так и их сложной взаимосвязи.' Это требует ком-

Ъ

плексиого подхода к построению теоретической модели и численному эксперименту па электроиных вычислительных машинах. Теоретическая модель должна включать наиболее важные физичеркие процессы и не накладывать существенных ограничений на геометрические и временные масштабы изучаемых процессов. Экспериментальное изучение динамики плазмы в разрядах во многих случаях ограничено в силу тех или иных причин, тогда как численное моделирование на ЭВМ дает возможность получить результаты, недоступные в эксперименте.

Целью работы является построение количественной теории радиа-циошю-газо динамических процессов, протекающих в эрозионных сильноточных импульсных разрядах на примере капиллярного разряда с испаряющейся стенкой (КРИС) и магпитоприжатого разряда (нлос-кого и коаксиального). Так как аналитические методы не позволяют детально описать динамику плазмы в разрядах, то для исследования сильноточных импульсных эрозионных разрядов был применен метод численного моделирования в двумерной постановке. Для реализации работы необходимо было создать физическую и математическую модель явления и на ее основе разработать двумерную методику численного моделирования процессов, протекающих в мощных эрозионных электрических разрядах, которая учитывает основные радиационно-газодинамические процессы. Ставилась задача получения закономерностей формирования и динамики плазмы в капиллярном и магнито-прижатом разрядах и уяснения влияния различных физических параметров и геометрических размеров конструкции разрядной камеры на структуру течения с учетом реальных термодинамических, оптических и транспортных спойств плазмы. Ставилась задача о проведешга численных расчетов с исходными параметрами разрядов приближенных к экспериментальным и количественном сопоставлении теоретических и опытных данных.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые численными методами в двумерной постановке исследованы особенности нестационарных радиационно-газодипамических процессов, протекающих в импульсном сильноточном эрозионном капиллярном разряде с испаряющейся стенкой (КРИС), а т&кже в плоском магнитоприжатом (МПР) и коаксиальном магнитоприжатом (КМР) разрядах. Последовательно прослежена динамика явления, начиная со стадии нагрева и испарения диэлектрической стенки разрядной камеры вплоть до установления квазистационарпого распределения газодинамических величин, учтено влияние собственного теплового излучения плазмы

И магнитных полей, джоулев энерговклад. Исследовапо влияние различных физических параметров и геометрических размеров капилляра и разрядной камеры магнитоприжатого разряда иа динамику течения плазмы с учетом реальных термодинамических, оптических и переносных свойств плазмы.

Научная и практическая ценность. Полученные в работе результаты развивают представления о закономерностях формирования и динамике плазмы и мощных импульсных эрозионных электрических разрядах. В работе учтено влияние разнообразных физических и геометрических параметров на течение плазмы в эрозионных разрядах. Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процессов, протекающих в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой и магнитоприжатом разряде (плоском и коаксиальном), их взаимосвязи и позволяют проводить более целенаправленные исследования мощных эрозионных импульсных разрядов. Результаты данной работы были использованы в ГОИ им.. С.И.Вавилова при интерпретации результатов экспериментальных работ и прогнозировании параметров плазмы, получаемой в сильноточных эрозионных электрических разрядах.. Защищаемые положения:

—описание и обоснование физической модели сильноточного импульсного капиллярного разряда с испаряющейся стенкой; —описание и обоснование физической модели сильноточного плоского магнитоприжатого разряда (Н-прижатого разряда); —описание и обоснование физической модели сильноточного коаксиального магнитоприжатого разряда (КМР);

— методика численного моделирования процессов, протекающих в капиллярном и магнитоприжатом разрядах в двумерной постановке;

— закономерности развития разряда, структура газодинамического течения, роль различных физических факторов в формировании и динамике течения плазмы в сильноточном капиллярном разряде с испаряющейся, стенкой и двух конструкциях магнитоприжатого разряда.

Апробация работы И публикации. Основные результаты исследований докладывались на IV и V Всесоюзных конференциях "Динамика излучающего газа" (Москва, 1980,1983 г.), I и II Всесоюзных симпозиумах по радиационной плазмодинамике, (Лжан-Тугаа,1989, Кациве-ли,1991 г.), на II Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекающих процессов" (Гродно, 1989 г.), па III Всесоюзной конференции "Метод

крупны* частиц: теория и приложения" (Москва, 1989 г.), на отраслевом научно-техническом семинаре "Стойкость - свет" (Сосновый Бор,1990 г.), на 7-ой Всесоюзной конференции "Уравнения состояния вещества" (Эльбрус,1990 г.), на Международной школе. - семинаре "Физика и газовая динамика ударных волн" (Минск, 1992 г.). По материалам исследований опубликовано 26 работ. Основное содержание диссертации отражено в 11 статьях [t- ft J.

Личный вклад автора. Все основные результаты настоящей работы были получены автором самостоятельно. Научный руководитель работы кандидат физико-математических наук Г.С.Романов сформулировал тему исследований, осуществлял общее руководство и принимал непосредственное участие в обсуждении полученных результатов. Из работ [5,6,3-llj в диссертацию включены принадлежащие автору теоретический анализ и интерпретация результатов двумерных расчетов коаксиального магнитоприжатого разряда. Структура ft объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, списка основных обозначений, введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она изложена иа 150 страницах машинописного текста, содержит 53 страницы рисунков и библиографию из 259 названий. ОбшкД объем диссертации 231 страница. •

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, кратко сформулирована цель работы, описана структура диссертации. Приводится краткое описание диссертации по главам. Отмечается научная новизна, практическая ценность и формулируются основные защищаемые положения диссертации. В заключение приводятся сведения об апробации работы и публикациях.

Первая глава носит обзорный характер современного состояния теоретических и экспериментальных работ по физике сильноточных излучающих разрядов. Приводится классификация сильноточных разрядов по физике процессов, протекающих в mix, по оптическим свойствам плазмы и фазам формирования. Далее рассматриваются основные физические свойства нлотпой низкотемпературной влектро-разрядной плазмы. В § 1.2 дается обзор литературы по сильноточным электроразрядным источникам света. Основное внимание при обзоре работ уделено капиллярному разряду с испаряющейся стенкой и магнитоприжатому разряду.

Анализ теоретических и экспериментальных работ по сильноточным импульсным электрическим разрядам показывает, что к настоящему времени достигнуто определенное понимание механизмов и про-' цессов, протекающих в сильноточных эрозионных разрядах. Значительное развитие получили методы теоретического расчета термодинамических, оптических и перепосных свойств различных веществ в широком диапазоне параметров. Прогресс в развитии вычислительной техники и математических методов существенным образом расширил возможности численного моделирования сложных задач магнитной радиационной газовой динамики. Аналитические методы не позволяют в полном объеме описать динамику формирования и развития мощных электрических разрядов ввиду сложности нел1шейной нестационарной системы дифференциальных уравнений, описывающих движение плазмы, и многообразия процессов, протекающих в ней. В рассматриваемых работах при численном моделировании сильно-точпых излучающих разрядов в основном используется одномерное приближение. Исходя из сделанных выводов сформулирована цель настоящей работы.

Вторая глава посвящена методике численного моделирования динамики зрозиопной плазмы. В последнее время, в связи с бурным развитием электронных вычислительных машин и численных методов решения задач сформировался новый метод теоретического изучения разнообразных явлений — вычислительный эксперимент. Суть его заключается в том, что на основе анализа физических процессов и закономерностей, протекающих в изучаемом объекте, строится математическая модель. Затем разрабатывается вычислительный алгоритм решения и реализуется в виде программы на ЭВМ. После проведения расчетов на ЭВМ полученные результаты обрабатываются и анализируются. В случае, если результаты, по тем или иным причинам пе удовлетворяют исследователя, происходит корректировка физической или математической модели изучаемого явления и весь процесс вычислительного эксперимента повторяется снова.

Разработка физической модели явления и создание на ее основе расчетной математической модели позволяет выявить процессы и параметры, недоступные непосредственным экспериментальным наблюдениям. Это, в свою очередь, дает возможность контролировать количественные характеристики явления с целью оптимизации eró параметров.

В том случае, если теоретическая модель хорошо описывает явление появляется возможность прогнозирования особенностей изучае-

ыого объекта. В настоящее время вычислительный эксперимент в физике плазмы наряду с теоретическим и экспериментальным изучением стал одшш из основных источников получения информации о поведении сложных систем. В осиовном это связано с оперативностью и гибкостью численного моделирования, полнотой описания сложных и взаимосвязанных процессов, самосогласованного рассмотрения явления в целом; возможностью правильно оценить роль отдельных процессов и па этом основании найти верное их приближение.

В настоящей главе рассматриваются основные физические процессы, протекающие в мощных электрических разрядах, методики их численного моделирования.и некоторые аспекты реализации этих алгоритмов па электронных вычислительных машинах. В § 2.1 рассмотрен вопрос о нагреве и испарении материала стенки разрядной камеры под действием теплового излучения плазмы. Воздействие концентрированных потоков энергии (лазерного излучения, электронного пучка, теплового излучения высокотемпературной плазмы и др.) приводит к поглощению части этого излучения поверхностью твердого тела (падающий поток поглощается в поверхностном слое толщиной 10~в-1(Г6 см), ее нагреванию, плавлению, а затем и испарению. Пары конденсированного материала, поглощая излучение, могут ионизироваться, образуя у нагреваемой поверхности плазменный слой. Модель испарения и нагрева включает в себя решение нестационарного уравнения теплопроводности, описывающего динамику изменения температуры поверхности стенки разрядной камеры. Движение паров описывается системой газодинамических уравнений. Граничные условия, необходимые для решения газодинамической системы уравнений получаются из рассмотрения тонкого поверхностного слоя пара (слоя Кнудсепа), который формируется из двух встречпых потоков молекул с различными функциями распределения. Обычно задача об испарении формулируется следующим образом: по заданной температуре поверхности твердого тела и соответствующей этой температуре равновесной плотности пара, а также известной скорости пара вдали от поверхности раздела фаз требуется найти плотность потока испаряемого вещества и другие параметры пара вдали от стенки. Температура поверхности твердого вещества получается из решения задачи теплопроводности. Для решения задачи теплопроводности используется метод моментов, получающиеся при этом уравнения решаются с помощью явного численного интегрирования. В систему уравнений для решения внутренней задачи теплопроводности входит скорость движения паров, которая является внешний параметром за-

дачи и определяется из решения газодинамической задачи о движении паров от разрушаемой поверхности.. Описана общая схема расчета газодинамических граничных условий. В § 2.2 рассматривается перенос энергии тепловым излучением плазмы. Кратко рассмотрены некоторые работы и методы решения уравнения переноса совместно с газодинамической системой уравнений. Описана методика учета переноса собственного теплового излучения плазмы. Угловое распределение излучения рассматривается в приближении Шварцшильда-Шустера, а спектральное распределение излучения в многогрупповои приближении. Представлена двумерная методика решения газодинамических уравнений. Подробно описал метод крупных частил, используемый в данной работе при численном моделировании динамики плазмы в мощных эрозионных электрических разрядах. Разностная схема является дивергентно-консервативной. Метод позволяет изучать и стационарные состояния, получающиеся путем эволюшш нестационарных состояний. К достоинствам метода следует отнести и то, что для его применения и получения удовлетворительных результатов требуются сравнительно небольшие расчетные сетки. С помощью метода крупных частиц можно рассматривать сквозным образом, без выделения особенностей течения ( ударные волны, скачки разрежения и уплотнения ), различных режимов течения газа и плазмы. Немаловажпым фактором того, что данный метод был выбран для расчета газодинамики, является возможность реализации его па электронных вычислительных машинах средней мощности. Рассмотрены реальные термодинамические, оптические и транспортные свойства углеродной плазмы, используемые при моделировании сильноточных разрядов и некоторые аспекты численной реализации таблиц физических свойств плазмы.

В третье главе рассматриваются вопросы, связанные с течением плазмы в капиллярном разряде (КРИС). В первом параграфе данной главы исследуется двумерная нестационарная модель течения плазмы в капиллярном разряде, сформулирована математическая постановка задачи, а также обсуждаются результаты численного моделирования. Учитывается нагрев и испарение стенок капилляра под действием собственного теплового излучения плазмы, нагревающейся выделяющимся при прохождении электрического тока джоулевым теплом. Плазма считается нетеплопроводной. Электронная теплопроводность, которая может играть заметную роль в случае оптически прозрачной плазмы при высоких температурах, не учитывается по сравнению с. лучистым переносом энергии. По методике, описан-

Hoit во второй главе была проведена серия расчетов нестационарного двумерного осесимметричиого течения плазмы в капиллярном разряде, при этом особое внимание было уделено рассмотрению варианта, наиболее хорошо изученному экспериментально и соответствующего стандарту яркости ЭО-15: радиус капилляра — ОД см, длина — 1 см и разрядный ток — 9 кЛ (опорный режим). Рассмотрен вопрос о численном моделировании пачальпого горячего проводящего канала для инициирования разряда. Показано, что изменение температуры инициирования практически пе оказывает влияния на развитие разряда в основной фазе. При прохождении электрического тока по инициированному тем или иным способом хорошо проводящему каналу происходит выделение джоулева тепла и внутри капилляра образуется параболический профиль температуры вдоль радиуса вследствие переноса эперпш излучением к поверхности трубки. Поглощаясь в поверхностном слое капилляра, лучистый поток энергии вызывает его нагрев и с течепием времени приводит к испарению. Сток образующихся при испарении газов материала стенки капилляра происходит через открытые в окружающую атмосферу торпы. Через некоторое время внутри капилляра устанавливается стационарное состояние плазмы, пр!гчем осуществляется с одной стороны баланс по массе между притоком массы со стороны испаряющейся поверхности капилляра и упосом массы струями плазмы через открытые торцы, а с другой стороны баланс по энергии. Подводимая к каналу разряда энергия расходуется на испарение, нагрев и ионизацию вещества стенки капилляра и эта же энергия й режиме установившегося течения отводится из капилляра плазменными струями. Как показывают не следования, перенос тепла к стенке капилляра в болытшетве режимов капиллярного разряда осуществляется при помощи механизма лучистого переноса. В результате численного моделирования нолучеш.1 детальные двумерные поля основных характеристик плазмы разряда. Исследовано влияние геометрических размеров и напряженности электрического поля на достигаемые в канале разряда параметры. Рассмотрен вопрос о влиянии скорости испарения диэлектрической стенки разрядной камеры на параметры газодинамического течения. Подробно описаны начальная нестационарная фаза течения плазмы в КРИС и стадия квазистацнонарного течения. Получены алпроксима-пионные формулы, описывающие зависимость давления, плотности и температуры плазмы в центре капилляра от длины, радиуса и напряженности электрического поля. Проводится сравнение результатов с известными экспериментальными данными. Полученные путем чи-

слегтого моделиропагтя записимости характеристик плазмы от скорости испарения материала качественно совпадают с зависимостями, полученными экспериментальным путем. Увеличение скорости испарения приводит к росту давления и сжатию канала разряда. Возрастает роль пограничного слоя, через который в основном и выносится масса испаренного с поверхности капилляра вещества.

Для повышения яркостной температуры часто используют сильноточные режимы капиллярного разряда с испаряющейся стенкой, в которых досютаются параметры плазмы более высокие, чем в газодинамическом режиме. В условиях сильноточных папиллярных разрядов нарабатываемая плазма удерживается магнитным давлением, создаваемым собственным» токами разряда в газе величиной — 105 А и выше. Для описания течения плазмы а канале капиллярного разряда при больших разрядных токах используется система уравнений магнитной газовой динамики. В §3.2 описывается картина течения плазмы в КРИС в мапштогазодннамическом режиме, рассмотрено илшнше собственною малштпого поля разряда па пространственное распределение параметров плазмы и приведены результаты численного моделирования нескольких вариаптоп сильноточных кат пиллярпых разрядов с напряженностью электрического поля внутри капилляра 3,162 и 4,743 кВ/см.

Исследование вопроса об'истечении высокоонтальпийных педсь расгаирепных струй и затоплг.штоя прострапсттю предстапляет несо-мпеппый интерес для практика, при изучении свойств плотной плазмы. Отдельные участки факелов, образующихся при истечешш плазмы из. капиллярного разряда, могут моделировать различные плазменные образопагаш. Экспериментальное изучение распределения параметров плазмы в сверхзвуковых излучающих струях вызывает определенные затруднения. Особенно это относится к получению информации о пространственном и спектральном распределешш излу-чательпых характеристик плазмы.

Интерес к высокоэнтальпийпым плазменным струям связал не только с изучением свойств плотной плазмы, но и с широким технологическим применением, например, ори обработке поверхностей металлов, сварке проводов, а также папесенни упрочшощих и жаростойких покрытий.

При истечении плазмы в затопленное пространство задача становится существенно неодпомерпой и, вследствие этого, ее решение весьма затруднительно. Кроме того, для высокоэнталышйных плаз- . менпых струй большое влияние на газодинамические свойства струи

оказывает перенос энергии излучением.

В § 3.3 рассматриваются математическая модель, методика, а также приводятся результаты численного моделирования радиационно-газодинамических процессов, протекающих при истечешш вЫсо..оэн-тальпийной плазменной струи в режиме ведорасширения из малого отверстия в затопленное пространство. Подробно прослежена картина формирования волновой структуры плазменной струи капиллярного разряда, проведено сравнение результатов расчетов с опытными данными, получены двумерные поля основных величин, характеризующих струйное течение. Предложенный для расчетов метод позволяет единообразно, сквозным образом, без выделения особенностей течения, вести двумерный расчет нестационарных высокознталыт£-ных недорасширенных излучающих плазменных струй, истекающих в затопленное пространство. С помощью предложенной методики получено удовлетворительное описание начальной и основной газодинамической зоны струи. Анализ результатов вычислений показывает, что учет переноса излучения в рассматриваемом случае оказывает определяющее влияние как на динамику развития струйного, течения, так и на распределение газодинамических параметров в стационарном участке плазменной струи.

В четвертой главе рассматриваются закономерности формирования и динамика плазмы в магнитоприжатом разряде. Рассматриваются две разновидности этого разряда — плоский магнитоприжатый разряд (МПР) или Н-прижатый разряд и коаксиальный магнитоприжатый разряд (КМР). В настоящее время для решения ряда физико-технических задач имеется необходимость в создании импульсных источников света с большой светящейся поверхностью и достаточно высокой интенсивностью излучения в ультрафиолетовой области спектра. Возможной конструкцией для разработки такого источника является магнитоприжатый разряд (плоский и коаксиальный), в котором плазма, нарабатываемая при испарении диэлектрика, удерживается пондеромоторными силами вблизи испаряемой поверхности. В §§4.1-4.3 рассматриваются математическая и физическая модели, методика и результаты численного моделирования конкретных вариантов радиационно-газодинамических процессов, протекающих в основной стадии плоского магвитоприжатого разряда, а в § 4.4 — коаксиального магнитоприжатого раэряда (КМР). Рассмотрена газодинамика движения вещества в разряде, нагрев и испарение диэлектрика, перенос излучения в разряде, влияние магнитного поля на динамику плазмы. При численном моделировании были учтены следую-

щие основные физические процессы: нагрев и испарение подложки под действием собственного теплового излучения плазмы, радиационный перенос энергии, чнерговклад за счет джоулева выделеления энергии в межэлектродном промежутке, взаимодействие магнитного поля с электрическим током, протекающим по плазме. При этом мы пренебрегали влиянием вязкости на течение плазмы, что вполне справедливо для плазмы сильноточных низкотемпературных излучающих разрядов, а также не учитывали теплопроводность, которая при достигаемых параметрах течения плазмы пе играет заметной роли. Следует отметить, что при определенных условиях в расчетах необходимо учитывать и этот процесс переноса энерпш. Были проведены расчеты нестационарного двумерного движения плазмы в лотке Н-прижатого разряда, при этом особое внимание было уделено варианту, наиболее хорошо изученному экспериментально: длина лотка £= 4 см, ширина а=1 см, напряженность внешнего магнитного поля Н0 = 15 кЭ, разрядный ток 1В — 6,5 кА, материал лотка — полиметил-метакрилат ^НвОз)». Магннтоприжатый разряд по своим физическим свойствам существенно отличается от других типов эрозионных плазмотронов и, главным образом, тем, что в нем наблюдаются значительные градиенты термодинамических, переносных и оптических параметров плазмы в направлении ортогональном оси канала. Кроме расчета полей газодинамических величин в стандартном режиме магнитоприжатого разряда были исследованы распределения проводимости и оипгческой толшшш плазмы в поперечном сечешш лотка. Наибольшая проводимость плазмы составила ц — 100 Ом-,см-1. Область наибольшей проводимости плазмы соответствует области с наибольшей температурой. Очеиь важным вопросом является изучение движения плазмешгых потоков в лотке, так как перенос эперпш и массы существеппым образом влияет па физические параметры магнитоприжатого разряда. Теоретические расчеты динамики плазмы в канале магнитоприжатого разряда показывают, что газодинамическое течение имеет довольно сложную картину. Магннтоприжатый разряд по принципу работы очень похож на сбалансированную дугу. Как и дуга, разряд опирается на слой сжатых паров, обдувающих горячее плазменное ядро. В магнитно-сбалансировапных дугах, обдуваемых потоком газа возможно существование двух вращающихся вихрей плазмы, когда наружные слои, находящиеся на границе с обдувающим потоком, возвращаются обратно в зону разряда. Вра-щательпое движение плазмы наиболее ярко проявляется в середине лотка п поперечном сечении разряда. Здесь в силу симметрии отсут-

ствует горизонтальная скорость плазмы вдоль оси разряда. Вблизи торцов лотка вращательное движение может подавляться большими горизонтальными скоростями. В результате экспериментального научения вращательного движения плазмы в лотке магнитоприжатого разряда в стандартном режиме не было обнаружено, но было отмечено, что вихревое движение плазмы возможно в варианте //-прижатого разряда с закрытыми ториами, где движение плазмы вдоль оси разряда отсутствует, и возможен выдув плазмы вверх, через газовую оболочку. Результаты вычислительного эксперимента для длинных лотков (ширина лотка намного меньше его длины), в котором движением плазмы вдоль оси разряда можно пренебречь, показывают, что возникают два вихря вращающихся навстречу друг другу. Центры этих вращающихся плазменных образований находятся на высоте примерно 0,5 см от основания лотка и иа расстоянии 0,22 см от вертикальной оси . Таким образом, в данном варианте имеется аналогия с магнитно-сбалансированной дугой. Проводится сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными результатами, позволяющее сделать вывод об их хорошем соответствии.

В § 4.4 приводятся результаты численного моделирования коаксиального магнитоприжатого разряда (КМР). Термодинамические, оптические и переносные свойства плазмы моделировались в расчетах реальными свойствами полиформальдегида (СН>0)п- Решение уравнения переноса проводилось как в одногругшовом (приближение серого тела), так и в многогрупповом (10 спектральных групп) приближении. Детально изучена картина формирования КМР. Получены двумерные распределения основных термодинамических, оптических и электрофизических параметров плазмы. Исследовано влияние геометрических параметров рлдряда и силы тока на динамику плазмы в коаксиальном магнитоприжатом разряде. Результаты расчетов показывают, что доля излученной энергии по отношению к вложенной в разряд докоу левой энергии «составляет примерно 17% , а также, что большая часть энергии излучается во внешнюю область в спектральных интервалах 190 — 276 нм, 276 - 459 нм и 459 — 868 нм. Отмечается, что КМР перспективен с точки зрения своих излучательных характеристик.

Основные результаты работы

1. Разработана теоретическая модель и методика численного моделирования радиационных магнитогазодинамических процессов развития й протекания мопхных эрозионных импульсных электри-

ческих разрядов. Принятая модель описывает основные физические процессы: нагрев и испарение материала стенок разрядной камеры собственным тепловым излучением плазмы, джоулев нагрев, тенлообмеп излучением, магнитогазодинамический разлет продуктов материала диэлектрической стенки разрядной камеры.

2. Проведено сопоставление ряда тестовых расчетов и экспериментальных данных, показавшее как пригодность предложенной Подели для описапия мощных импульсных эрозионных электрических разрадов, так и достоверность сведений о газодинамической структуре течения. Тестовые расчеты свидетельствуют о высокой эффективности используемой методики при численном моделировании динамики плазмы в сильноточных разрядах,

3. Построена двумерная нестационарная модель течений плазмы в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой с учетом основных физических процессов, влияющих на динамику течения плазмы как внутри капилляра, так и вое его. Подробно описаны начальная нестационарная фаза Течения плазмы в КРИС и стадия квазистационарного течения. Получены детальные двумерные поля основных характеристик плазмы разряда. Изучено влияние геометрических размеров капилляра й папряжеппости электрического поля иа параметры плазмы. Получены аппроксимациои-пые формулы, описьшалщие зависимость давления, плотности и температуры плазмы в центре капилляра от длипы, радиуса и напряженности электрического поля. Рассмотрено влияние скорости испарения стенки диэлектрической трубки па параметры Плазмы. Проведено сравнение полученных при численном моделировании результатов с экспериментальными зависимостями.

4. Исследован мапштогазодипамическцй режим сильноточного импульсного эрозионного разряда, когда существенно влияние собственного магнитного Поля разрядного тока на характеристики генерируемой плазмы. Подробно прослежена динамика плазмы для этого режима разряда.

5. Проведено моделирование высокоэнтальпийных плазменных струй, истекающих в затопленное пространство с торцов капилляра. Получеппые результаты сравниваются с экспериментальными данными. Отмечено, что учет переноса энергии излучением оказывает определяющее влияние на динамику развития струйного течения и заметно меняет распределение газодинамических параметров.

6. Разработана методика и численно исследована динамика плазмы

л магнитоприжатоы (плоской и коаксиальном) разряде в двумерной постановке с учетом основных физических процессов, протекающих в разряде. Предложенная методика численного моделирования магнитоприжатого разряда позволяет описывать как начальную нестационарную фазу течения, так и фазу квазиста-шюнарного течения, в результате стабилизации радиационно-тепловых потоков на диэлектрические стенки, массового расхода эрозионной плазмы и джоулева энерговклада в плазму.

7. Получены подробные двумерные поля газодинамических, переносных и оптических параметров плазмы плоского и коаксиального магнитоприжатого разряда. Выяснено, что в стандартном режиме магнитоприжатый разряд работает как эрозионный плазмотрон. Найдено, что в плоском магнитоприжатом разряде для длинных лотков образуются два вращающихся навстречу друг . другу вихря плазмы. Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными показало, что имеется вполне удовлетворительное совпадение теоретических результатов с известными экспериментальными данными. Проведенные исследования свидетельствуют о соответствии выбранной физической и математической модели реальным процессам, протекающим в канале магнитоприжатого разряда.

Слисок основных работ по теме диссертации

1. Окунев В.Е.,Романов Г.С. Расчет радиационно-газодинамичес-ких пррцр.ссов, протекающих в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой // Труды IV Всес. конф. "Линамика излучающего газа",—М.:МГУ,1981—Т.К — С.48-61.

2. Окунев В.Е.,Романов Г.С. Теоретическое исследование радиа-пионно-газодинамических процессов, протекающих в капиллярном разряде с испаряющейся стенкой // ЖПС.—1982.-Т.36, вып. 2.— С.194-199.

3. Окунев В.Е.,Романов Г.С. Магнитогазодинамическая модель капиллярного разряда с испаряющейся стенкой // ИФЖ.—1983. —Т.45,вын.2.—С.257-263.

4. Окунев В.Е.,Романов Г.С. Численное моделирование недорасти-ренной высокотемпературной струи, истекающей в затопленное пространство, с учетом переноса энергии излучением / Ред. журн. "Вестник БГУ".—Минск,1983.— Деп. в ВелНИИНТИ 02.08.83, К«747Бе—Д83.

5. Окунев В.Е.,Павлюкевич H.B..Романов Г.С.,Сметанников A.C. Численное моделирование динамики эрозионной плазмы мощных электрических разрядов.—Минск,1984.—4.1.—37 с.— (Препринт / ИТМО АН БССР.—№7)

6. Окупев В.Е.,Павлюкевич Н.В.,Романов Г.С.,Сметанников A.C. Численное моделирование динамики эрозионной плазмы мощных электрических разрядов.—Минск,1984.—4.2.—35 с.— (Препринт / ИТМО АН БССР.—№8)

7. Окунев В.Е.,Романов Г.С. Теоретическая модель и численное моделирование мощного магнитоприжатого разряда электрического разряда //Теплообмен при воздействии радиационных потоков па материалы. — Минск ИТМО АН БССР,1990. — С.77-98.

8. Окупев В.Е.,Романов Г.С..Сметанников A.C. Газодинамические и радиационные параметры коаксиального магнитоприжатого разряда //Экстремальные состояния вещества /Под ред. В.Е.Фор-това, Е.А.Кузьменкова. —М.:ИВТАН,1991.—С.244-252.

9. Окунев В.Е.,Романов Г.С.,Сметанников A.C. Моделирование динамики коаксиального магпитоприжатого разряда. I. Начальная фаза //ТВТ.—1993.—Т.31,К»2.—С.185-189.

10. Окупев В.Е.,Романов Г.С.,Сметанпиков A.C. Моделирование динамики коаксиальпого магнитоприжатого разряда. II. Закономерности формирования и динамики двумерного течения плазмы в основной фазе //ТВТ.—1993.—Т.31,№3.—С.357-303.

11. Романов Г.С.,Сметанников A.C.,Окунев В.Е. Начальная фаза коаксиального магнитоприжатого разряда //Химическая физика.— 1993.—Т. 12,№5.—С.614-617.

Резюме

Окувеу Biinap Яугеньев1ч. Працэсы пераносу у двухмерных цячвннях враз1йнай плазмы магутпых влектрычных разрадау //Аутарвф. дыс. ... канд. фЬ.-мат. навук. — Мн.: АНН 1ЦМА AHB, 1995. - 20 с.

Ва уступиай частцы аутарэферата дадзепа агульиая характары-стыка работы. Адзначана актуальнасць тэмы, мэта работы, навуко-вая навЬпа, прг.ктычная цэннасць, абараияемыя налажэнш, анраба-ныл работы i публ1кацьп па тэме дысертацьп, а таксама acaöicnj уклад аутара. У асноунай частцы аутарэферата дадзена сгослае ашсанне дысертацш па главах. У псршай главе дысертадш дадзен агляд работ па моцнатокавых разрадах. У другой главе ашсана методыка т-кавага маделфавання дынамш враз)йнай.плазмы ыагутных влектрычных разрадау. У трэццяй главе даследавана ^шам]ка цячення плазмы у кашлярным разрадзе з выпараючайся сценкай (КРВС). Атрыыа-ны двтальныя двушерныя пал) асноуныя характарыстык плазмы раз-рада. Лшсан магштагазадьшашчвы ражьш КРВС. Разгледжаяа ды-наы)ка высокаэнтальшйных струшшеу, выцякаючых з тарцоу кашля-ра у ахружаючае асяроддзе. У чацвертай главе даследаваны зака-наыернасш фармЗравання i дынамЫ плазмы у плосюм i каакаалышм магштапрышснутых разрадах. У заключдай частцы ашсаны асно^ныя вышы работы i прьшедзены cnic работ па тэме дысертацьп.

В1бл)яграфт — 11 назв.

Резюме

Окунев Виктор Евгеньевич. Процессы переноса в двумерных течениях эрозионной плазмы мощных электрических разрядов //Автореф. дисс. ... канд. фнз.-ыат. наук. - Мн.: АПК ИТМО АНБ, 1995. — 20 с.

Во вводной части автореферата дана общая характеристика работы. Отмечены актуальность темы, цель работы, научная новизна, практическая н научная ценность, защищаемые положения, апробация работы и публикации по теме диссертации, а также описана структура, обьем диссертации и личный вклад автора. В основной части автореферата дано краткое описание диссертации цо главам. В первой главе диссертации дан обзор работ по сильноточным импульсным излучающим разрядам. Во второй главе описана методика численного моделирования динамики эрозионной плазмы мощных электрических разрядов. В третьей главе исследована динамика течения плазмы в

капиллярной разряде с испаряющейся стенкой (КРИС). Получены детальные двумерные поля основных характеристик плазмы разряда. Описал магнитогазодинамический режим КРИС. Рассмотрена динамика высокоэнтальпийных струй, истекающих из торцов капилляра в окружающее пространство. В четвертой главе исследованы закономерности формирования и динамика плазмы в плоском и коаксиальном магвитоприжатых разрядах. В заключительной части описаны основные результаты работы и приведен список работ по теме диб-сертации.

Библиография — И назв.

Summary

OkuBev Victor Evgenyevich. TYansport processes in two-dimensional flows of erosive plasma of powerful electrical discharges //Abstract of dissertation ... cand. phys.-math. sci. — Minsk, Heat & Mass Transfer Institute, 1995. 20 p.

A common characteristic of the work is given in the introductory part of the paper. The subject actuality, ригрове of the dissertation, scientifical novelty, practical and scientifical importance, theses being defended, approving and publications are marked. The structure, volume and personal author's contribution are described aliso. A brief description of the dissertation is given in the main part of the author's abstract. The review of high-current discharges is given in the first chapter. The numerical simulation methods of plasma dynamics of the powerful erosive electrical discharges are described in the second chapter. The dynamics of the plasma flow in Capillar discharge with evaporated wall (CADEW) is studied in the third chapter. The detailed two-dimensiorizd fields of the main plasma characteristics is obtained. The magnctogasdynamical regime of the CADEW is described. The high-entalpy jets dynamics flowing from the capillar's ends to the enviroment is considered. The laws of formation, dynamics of the plasma in the plane and in the coaxial magnetopressed discharges are studied. The main results are described in the conclusive part. The principal articles are listed.

Bibliography — 11 ref.

Окунев Виктор Евгеньевич

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА

В ДВУМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЯХ ЭРОЗИОННОЙ ПЛАЗМЫ МОПШЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ

01.04.14 — теплофизика и молекулярная физика

Автореферат дассертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 31.03 . 95т.

Формат 60x84 1/16. Бумага тгаюгр. №2. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,2, Уч.-изд.л. 1,3 Тираж 100 вкз. Заказ 59.

АНК "Институт тепло- и массообмена км.A.B.Лыкова" АН Беларуси. 220072, Минск, П.Бровки, 15

Отпечатано на ротапринте АНК "Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова" АН Беларуси. 220072, Минск, П.Бровки, 15