Расчетно-теоретическое исследование процессов в импульсных МГД-генераторах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ
|
Панченко, Виктор Петрович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1993
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.13
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РГ6 од
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
УЛК 537.84:621.362:533.6:536.7:681.3 На правах рукопнся
ПАНЧЕНКО Виктор Петрович
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ИМПУЛЬСНЫХ НГД-ГЕНЕРАТ0РА1
Специальность 01.04.13 - электрофизика
Специальность 01.02.05 - механика гидкости, газа п аяазаа
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученоЗ степекп доктора физико-математических наук
Москва -1993
Работа выполнена б Троицком институте инновационных 2 термоядерных исследований (Филиал ИАЭ им.И.Б.Курчатова).
Официальные оппоненты:
- ¿¡иф.-м.Е., профессор Батажин ¿.Б. ( ВДАЫ ) ;
- д.т.в. Збйгарнак Б.А- ( !"ЗТ РАН );
- д.ф.-м.в.. профессор Трошев В.Е. ( ТРКНКГИ ).
Ведущая организация: Московский авиационный институт
Заегта состоится 1993 года в часов на заседании
спчциалиэироь^нного совета Д.002.53.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Института высоких температур РАН ( Москва, 127412. ул.Икорская, д.13/19).
С- дассертЕЯйей можно ознакомиться в библиотеке Института высоких температур РАН
Автореферат разослан /А • 1993г.
/¿¿С
Ученый секретарь специа^изтэйЬного со^ха...
а
1 Научное объединение "ИВТАН" Российской аквдемии наук, 1993
1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1.Актуальность.
В настоящее время сверхзвуковые МГД-геиерзторы на равновесной плазме продуктов сгорания высокоэнталышйных топлиз являются наиболее разработанными, доведены до уровня промышленного изделия и имеют наилучшие удельные характеристики среди МГД-генераторов других типов. Экспериментальные и промышленные импульсные МГД-установки як твердом (пороховом.) плазмообрязущем топливе- (1Ш) открыли новое направление в импульсной энергетике. Эти установки работают в режиме самовозбуждения и характеризуются продолжительностью работа до ~10с, электрической мощностью - до ~>0?JBm, к.п.э. \~Г-.э 12%, NVij - до 500 МВт/л3, дуд - до 0.7 Щх/кг, иу„- до 0.1 ?Д®т.
Несмотря на накопленный опыт, 'создание новых типов импульсных МГД-генераторов, повышение энергетических, ресурсных и других характеристик, расширение функциональных возмошостей требует решения нового, повышенной сложности класса физико-технических задач, и проведения большого объема исследований. Эффективным способом решения назвшпшх задач, особенно на начальной стадии, является вычислительный эксперимент, базирующийся на теории и математическом моделировании физических процессов в МГД-преобразователях. Однако, несмотря на заметные успехи, в теории сверхзвуковых, в частности импульсных, МГД-генераторов с высокими удельными характеристиками, до последнего времени имелись существенные пробелы.
В связи с началом эксплуатации и перспективностью использования моцннх импульсных МГД-генераторон в качество автономных источников электроэнергии для различных целей актуальной является проблема улучшения их функциональных, энергетических, ресурсных ч массо-габарят-ных характеристик. Диссертация посвящена решению этой проблош на основе проведения расчетно-теоретического анализа основпих процессов в импульсных МГД-генераторах, оптимизации их характеристик п поето-представляется весьма актуальной.
1.2.Цель работы и задачи исследования.
Целью диссертационной роботы являлся рссчэтно-тэоретичесгшй анализ газодинамических, э,вдк*ро- и т*пло<т«о ичоскик процессов в импульсных МГЛ-генерэторах на равновесной плазме, направленный на создаш!е методов пх расчета и определение оптимальных характеристик.
Поставленная цель определила основные направления исследования, которое пклотало:
-разработку физико-математических моделей, алгоритмов и программ
различного уровня (от 1Б до ЗБТ);
-установление и количественное описаше закономерностей и особенностей газодинамических, электро- и теплофизических процессов в импульсных МГД-гонераторах;
-решение прикладных задач.
1.3.Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Научная новизна проведенных исследований состоит в том, что впервые в рамках системного подхода развита теории, осуществлена постановка и проведено численное решение газодинамических, электро-и теплофизических задач, установлены закономерности и особенности основных процессов в импульсных МГД-генераторах на одно- и двухфазной плазме в условиях сильного МГД-взаимодойстния. Определены энергетические и массо-габаритные характеристики импульсных МГД-ге-нераторов на различных рабочих телах.
Основные положения диссертационной работы, ьыносимые на защиту, заключаются в следующем.
1.Развита квазиодномерная теория одно- и двухфазных, течений равновесной плазмы в МГД-генераторах.
2.Создан комплекс математических моделей,алгоритмов и Ц программ с различным уровнем (от 1Б до 31УГ) пространственно-временного описания нелинейных газодинамических,электро- и топлофизических процессов в сверхзвуковых МГД-генераторах на равновесной одно- и двухфазной плазме в условиях сильного МГД-взаимодействия.
3.Показано,что наибольшее влияние на энергетические характеристи-' ки импульсных МГД-генераторов при уровне их мощностей до -20ЫВт оказывают приэлектродное падение напряжения и пограничные слои. Определена эффективность преобразования энергии в импульсных МГД-гене-раторах с линейными каналами и для еб увеличения предложено профилировать МГД-каналы то условию устойчивости пограничных слоев.
4.Установлены особенности электрических характеристик и развития возмущений параметров газа конечной амплитуды в -фарадеевских и диагональных МГД-генераторах в условиях сильного МГД-вза''людействия. Псжазано, что появление ударных волн и отрывных течений в фарадеев-' ских МГД-генераторах заметно снижает их мощность (до 50%),а в диагональных генераторах происходит -ей качественное уменьшение.
5.Дано объяснение и количественное описание явления динамического гистерезиса МГД-течений в каналах.
6.Определены условие и факторы,определяющие самовозбуждение фара-
деевских МГД-гзнераторов со сплошными электродами. Установлен нелинейный характер переходного процесса самовозбуждения, который ограничен появлением ударных волн и отрывных течений,что приводит к ста-(Зилизации характеристик МГД-гонераторэ.
7.Показано,что распределения электрофизических характеристик имеют сложную пространственную структуру и нелинейным образом зависят от схемы коммутации проводящих элементов, распределения индукции магнитного поля и режима нагрукения МГД-генератора. Установлены распределения полей и токов в концоьнх зонах, в области косой ударной волны и определена причина насыщения тока утечки. Предложен способ оптимального расположения электродов в канале импульсного МГД-гене-ратора.Рассчитан и затабулирован коэффициент концевой притечки тока.
8.Выявлены особенности пространственной структуры сверхзвукового течения однофазной плазмы с анизотропной проводимостью в ГТ прямоугольного поперечного сечения импульсных МГД- генераторов в условиях сильного Ш'Д-взаимодействия.Формулировано условие и предложен механизм возникновения и эволюции косой ударной волны в МГД-канале со сплошными электродами.
9.Проведен анализ и дано описание пространственной структуры двухфазных полидисперсных точений в ГТ импульсных МГД-генераторов. Рассчитаны эволюция спектра жидких частиц К-фазы Мг03 и динамика двухфазной неравновесности.Обнаружены эффекты объемного воздействия магнитного поля на частицы й-фазы в потоке,осевой фокусировки частиц и образования пристенных слоев газа, а также существование области максимального инерциошгого выпадения частиц на стенки.Предложен способ построения оптимального профиля сопла.
10.Установлена закономерности развития, структура,тепломассообмен я падение напрякения в турбулентных пограштчпых 'слоях на электродной и изоляциошгой стенках импульсного МГД-генератора. Показано, что эти характеристики определяются самосогласованными распределениями пон-дермоторннх сил и дкоулэва тепла и нелинейно зависят от .температуры стенок, а увеличение МГД-тормокения потока ' до ого , критического значения приводит к отрыву пограничного слоя на электроде.
11.Б одно- и двумерной постановках решены задачи о нестационарном сопряженном теплообмене в . ГТ импульсных ?Я'Д-генераторов. Определено влияние различшх факторов на времена и температуры нагрева огневых поверхностей и термализашга • многослойных стенок, плотности тепловых потоков, скорости'термического разрушения ке-
з
рт: ясских стенок. Указаны пути повышения ресурса стенок ГТ.
результате выполнения диссертационной работы развито новое ьэдчдоэ направление б проблеме МГД-преобразования энергии - математическое моделирование•и численное исследование процессов в сверхзвуковых МГД-преобразователях в условиях сильного взаимодействия одно- и двухфазной плазмы с магнитным полем.Полученные результаты способствовали решению проблемы создания мощных импульсных МГД-генораторов.
1 .а.практическое значение.
Практическое значение полученных результатов определяется том,что:
-разработан комплекс программ, позволяющий повысить точность рас-основных процессов и характеристик сверхзвуковых МГД-генерато-ро? ня одно- и двухфазном рабочем теле, а некоторые рассчитать впор-
-уп^.-щьн пути повышения и предельный уровень энергетических, ро-о/урспыг к массо-габаритных. характеристик импульсных МГД-генераторов ;->. ТИТ;
••вида*.«« рекомендации пг построению оптимальных профилей сопел, М>'Д-каналов, расположение сплошных электродов, увеличению ресурса изоляционных стенок; '
-предложен принцип расчетного проектирования сверхзвуковых. МРД-г'-иериторов, в том числе импульсных с самовозбуждением;
-определены оптимальные параметры, условия эксперимента и технический оЗлик импульсных ЫГД-генераторов различного масштаба и назна-«•^нич.
Пол'.чешше результаты используются и часть из них внедрена в ор-анизациях, разрабатывающих мощные МГ'Д-преобразователи энергии на ¡.авновэоной плазме.
■'• Достоверность результатов.
Разработанные физико-математические модели основаны на фундаментальных законах физики и различных предположениях, достоверность которых подтверждена многочисленными экспериментами на импульсных МТ'Д-генераторах к точными решениями модельных задач газо- и электродинамики. К.роис того, основные проектные характеристики импульсных МГД-генераторов были подтверждены в процессе их эксплуатации. Это , позволяет утверждать, что представленные в диссертации результаты '¡рчвилъно отражают реальные процессы в импульсных МГД-гонераторах.
1 .S.Адресация рчбот n публчкоцип.
Основнзо результаты диссертации доклгдлпллс!. и обсуждали;:.. iV, следущих научных Форумах:
--на 6,8.9,10 п 1Международных конференциях по МГД-преоЗраяовтхкр энергии;
-н.ч IT и in Всесоюзной школо-сешиаре ко кинетпке, хитгчоской' и т/'Сгт:ткой газодинамике:
-на нвучлнх семинарах в НАЭ им Л.П. Курчатов?! , ТР1ШТИ, ЙВТ PAII, ЛИЛО "OÔTO", ПГ'г'З, гошм. ИШТП, пиитам при ТГУ, ЛЕК'ИУ, МАИ, ЦНПО "Ленинец", Г!«Ж.
По теме диссертации опубликована 1 монография, ! обзор s сергш "Итога науки", 67 научных работ, из них 42 печатных, получено 1 авторское свидетельство.
1.7.Структура и объем работы.
Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав, выводов, зтслгачишя и списке литературы. В пой содерхзггсл 320 стратпщ машзпюпнсного текста, 191 рисунок на 96 страницах, 7 таблиц н-147 ссылок на литературные: источники. '
2. СОДЕРЖАЩЕ РАБОТУ
В предисловии изложены. этапы и направления создания импулъенна Ш?Д-генораторов в России,инициировавшие постановку больпшнстза задач и расчотно-теоротические исследования, результата которых представлены в диссертационной работе.
Во введении рассмотрено состояние проблеш сверхзвуковых МГД-ге-' ператоров на равновесной плазме, описываются преимущества и основный параметры ;;:.;пульсных МГД-генератсров по ТПТ. Показаны актуальность сффэкттзтюсть расчетно-теоретических исследований для '.злпульсшх МГД-гепзраторов. СсТормулировмш цель и ззда'пт. исследования, палогсш содержание диссертации по главам и раздела';.! п ео основные рэйульта-tu. Представлены основные положения, выносимо на зоцз-ту-, научная новизна, тоорэтичэскоэ и практическое значения, обоснована достоверность полученных результатов,указаны характерные особенности диссертации.
Гласа 1 .Осговпыэ процессы и пргрздпп построения физико-математических моделей сверхзвуковых НГД-генаратороз.
В тторгш тзрлтл этой главы описываются основные физические процесс!? и лх особенное?:! в сворхзвукогах МГЛ-генераторах на равновэспсЛ
плазма с линейным каналом. Часть этих процессов взшЕьозавйоъэд, '9 некоторые могут определяться локальными и интегралыщш характерно-, тиками №Д-генератора. Приводятся основные особенности шхудаовых МГД-генераторов на ТОТ, выделяюдио их из класса сверхзвуковых ЫГД-генэраторов.
Далее устанавливаются качестьенные соотношения между характерными временами протекания различных (~?0) нестационарных процессов в плазменных МГД-генераторах. Сравнений этих времен позволило разделить рассмотренные процессы но отношению друг к другу и времени ра- . боты генератора на нестационарные и квазистационарные.что существенно упростило построение физических и математических моделей. .
Во втором разделе определена структура математического (численного) моделирования процессов в МГД-генераторах.
Основшми взаимозависимыми процессами в импульсных МГД-генераторах с самовозбуждением на равновесной плазме-, определяют».« их .энергетические, ресурсные и массо-габаритные характеристики, я&лавтея стационарные и-нестационарные сверхзвуковые одно- и двухфазные точения в квазистационарных магнитных и электрических полях» топлсмассо-обмен-и переходные процессы во внешних электрических цепях.
Физико-математическое моделирование процессов в МГД-генэраторе ; осуществлялось с помощью принципа декомпозиции, т,е. расцепления1' слокной задачи на отдельные подзадачи по физическим процаеоэд.ио времешшм и пространственным переменным.
Пршцип декомпозиции позволил аппроксимировать раалышй гфоцесс, протекающий в МГД-установке,совокупностью квазшезависишх "простых" процессов и, далее, построить математические модели, поддающиеся аффективному численному решению. Приводятся как полная иерархическая .система различных групп уравнений,так и используемые в диссертациэц-. ной работе системы уравнений.. Физическая модель сверхзвукового течения вязкого теплопроводного; газа в МГД-генераторах основана на приблизкекии турбулентного пограничного слоя 'рис.1). Течение в ядре потока в-общем случае рассматривается нестационарным, а пограничные слои и электродинамические процессы в МГД-генераторах на равновесной плазме - квазистационарными. Тепловые процессы в стенках и переходные в электрических цепях являются нестационарными, но по отношению к процессам в МГД— канале могут рассматриваться как квазистацлонарные.
P"C, ! Структура T049KW а пг-оеяостя продольного (а) п поперечного (п) сочггаД «нэЯпсго 1ТД-пэкала
Математическое (численное) моделкровашю процессов в сверхзвуковых МГД-генераторах. п глоь'? % приводятся физико-математические (числошше) модели и химхыекс ч^ I; программ, совокупность которых представляет математическую ьодель сверхзвукового МГД-генератора на одно- и двухфазном рабочег.'. толе, Изложение построено по принципу выделения в отдельный, раздел математического моделирования каждого из рассмотренных в диссертации процессов.
Б иерьом разделе 2.1 излагаются инженерно-физические методы и црогрйыми расчета срерхзвукошх МГД-генерэторов на одно- и двухфазном рабочих телах, основании»? нг. квазиодномерном приближении уравнений магнитной гидродинамики при с учотом развития турбулентных т;(1)'рг>ничшх слоев, реальных свойств химически реагирующих газов, ттриэлектродногс падения напряжения, концевых уточек тока, неравно-I бсшоти тлидисперсного двухфазного течения с коагуляцией и дробленом Чпсуии К-фазы и ряда других эффектов. В этих методах использую-■ '•>■ теоретические и (кли) эмпирические зависимости, полученные в бо-• л'шной теории или эксперименте. Они обеспечивают приемлемую для
приложений точность расчета, и( .пользуя обобщенный зако^ Ома
]ц - о(Е а»¡;, ¡1)
1' 'I"
в
< .иг^ чу уравнений,описывающих однофазное квазиоднемзрное точение в гюгон.а.можно представить в форме закона обращения воздействий:
атр 7И2 иг Мк-1
{ (1-Ю 1и-10-г }
• 1 г }_Ь)(7 - т —I
„ 1 (1-к) , „ —■ „ ■1х иг-1 I • 4 а а-иг 0
'---сИпА^/й!, Ьв=оВг/ри, Т, к - коэффициент нагрузки.
Для расчете развития и определения области 'отрыва пограничного уюя используется интегральный метод (см.п.2.2).
Прйлложотшй метод реализован в виде программы "КАН", Для однов-;мменногл расчета течения ^ ядре потока и пограничного слоя методом ¿•укге-Кутта использовалась итерационная процедура на каждом шаге т:а счетной сетки.
Ни основе описанного выше метода разработана модель двух-фа*.тс монодиспороного Течения в канале МГД-генератора:
-г
(1г (ПпТ,
ОХ
"" ¿7
ь - -1- Г
+ (1-1
ои
- 7 ггг
<*2'
<у*7
/т-? ;ег—г -
рХ
(ц -ии~г
(>ги!рг
ат2 ¿х
(3)
К-фази.
где '«?" обозначен« параметры газовой фазы,
Разработанная методика реализована а виде программ? "ФАЗА".
Для детального исследования процессов в ишульеннх МГД-генерато-рпх на ¿геуд-йазногл псхяпдаспорсном рабочем теле разработан метод и комплекс программ "ММ".
Систола урггкений, спасываэдта течение газовой фазы, монет бытЬ представлена в следующем виде:
60 , -
с?г
1
где
С И
о
их
Т{
(4)
Система уравнений для 1-ой ^раяции частиц Я-фазы. учитывайте коагуляцию и дробление, имеет Долее слогошй вид: .
<за
' ♦ <?4га,-1,) * = 0, /5.)
ч
<±г
V * = о,
Резлизацпя алгоритма янкекерно-фязического расчета потребовала . разрайоткп чкеяэтгт методов решения системы уравнений и комплекса "прогрета, нотсрай получил название "КАНАЛ-1". Для расчета свойств а состава продуктов сгорания использовалась программа "ПЛАЗМА".
Для решения задачи стационарного течения газа в до- и трансзвуковой области применяется метод, основанный па решении обратной зада-то сопла Лаваля.В сверхзвуковой части сопло расчет проводился мар-тевым «¡этодом. Системы уравнений для газовой фазы и частиц решались ■численно с помощью аналога явной конечно-разностной схемы "предиктор-корректор" Мак-Кормака. ■ . '
Второй раздел 2.2 посвящен математическому моделированию пограничных слоев в ГТ сверхзвуковых МГД-гонератороа. В рамках газодина-гаме ского приближения построены дао модели турбулентных пограничных слозв с различным уровнем их списания.
Система уравнений для динамического и теплового пограничных слоев в интегральной форг.о пмэет следующий вид:
<35** г й1т Шпо п
I ОО гг*>
--+ е** \(2+н)--+ —
¡и {_ бх скс
йз** агпи аыр агглп^,
со г оу Ооо
сш + о.5сг(1-е'ь^к (б;
а»«
-+-+-
Й й; ] " I я
Для электродной стенки б*=0. я й т0 вРемя К'Г|К
для изоляционной стенки Е'=согиз1, 6*з0* Для определения И, Н1 , с ,, ьЧ использовались результаты теории Кутателадзо-Леоитьева и (или) уравнение Гарнора.
Математическая модоль пограничных слоев более высокого уровня основана на решении системы двумерных дкф£орйнциалышх уравнений:
й , й г л ар аЧ
[оИ * — 1ри о 1 =--+ — + Р„ , ге;
I гГл I г , /г г!п г
С23? 1 ^ , йп * <1г Й/1
а , й , . ¿1 !' - V с , ОН
— Гри я] * — Три й] = — 1р| — *1 — /-с2зг 1 ~ J йп. V * -> Йп I. 1 Рг йу СШ
(;- --IV г ¡1- —1е! — [у? /г)} + у, (Ю}
I ^ V Р>- ) г1п I. 1 Л V -
1 Р?у ] йп
;-гг?, системе уравнений, дополнялась уравнением состояния ИТ) и дифференциальным уравнением, для коэффициента турбулентной' вязности-е е фор,ю Секундова-Хсдае^никорой. ___- ____у.
Для вычисдоШп |1сточниковых членов и Н^З'Ъ определялись'
распределения электродинамических величин на электродной Е^х.у^и^х^УВ+У^хУа^х.у), }у(х) « ^ (х), Рз.(х)^уф(х)Б,
ум(х)Еу(х,у) и изоляционной.стенках:
^и(х,г)-а1(х,гЦЕ^х)-оя(х,г)В1, Е^х^Е^х).
Для анализа влияния пограничных сдоев , на электрический характеристики введены .интегральные толщины, характеризушщо электродинамические процессы в пограничном слое: б*, 6*. 5*, 6*, б*.
.Система уравнеий решалась численно конечно-разностным методом: использовалась неявная ыонотошшя схема второго порядка точности по поперечной и первого - по продольной координате с автоматическим выбором шага вдоль стенки и следящая за разбитием пограничного слоя сетка (программа "СЛОЙ", -1000 операторов).
В третьем ..разделе 2.3 представлены результат« математического .моделирования пространственной структуры электрических полей и токов ь кондукциопных МГД-генераторах и процесса самовозбуждения. Развиты
Ю
одномерная и квпзиодномерная модели электродинамики для фараде обского и диагонального МГД-генераторов. Так соотношения для фэрадеевско-го МГД-канала со сплошными электродами имеют вид:
^ П/2
Е =0, Е =0, В -В (х)=В. У=сопл£= ГЕ <1у = < Е >Н, „
т, г в . г у У
-п/г
](х)=-^ <">й] . ]г(х.у)=аиВ-т. (V)
> 1 ^ J
0 . ? ■ р ив- ирг
Стационарные пространственные распределения электрических, полей и токов, в' ГТ кондукилонного МГД-геператора описываются уравнения!® Максвелла М^-О; го{£=0 и обобщенным законом Ома (1). Вводя потенциал соотнесением после некоторых преобразований получил для него эллиптическое уравнеше: <9/ д] дJ
* х V г
--+ - + - =о, (12)
дх ду дг _
Для типичных условий работы фарадеевского МГД-генератора достаточным приближением может служить квазидвумерное приближение ...определяющее
электрические поля и токи J я Е в плоскости г=0 (продольная краевая .задача) н учитывающее изменение ширины а(х), т.к.
В этом случае уравнение (15) принимает вид:
д г 0ф <зф] г 5ф афт „
— -5 — =0, где 5=оа/(»+рг). (13)
5x1 От д\}) ду I йх ду) - '
Уравнение (13) дополняется граничными условиями для расчетной ' области ГТ. '
Метод решения краевой задачи (13), основан на сведений ее и задаче нестационарной теплопроводности, решение которой при есть ресэияе исходной. Для численного репения использовался конечно-разностный консервативный метод "факторкзованных тепловых смещений", который абсолютно устойчив относительно шага . по времени и имеет
-V - '
и(ЛНа основе предложенной физико-математической модели разработан комплекс программ ''ПОЛЕ", включающий ~4000 операторов.
Далее проводился анализ самовозбуждения фарадеевского МГД-гепе-ратора с безжелезной магнитной системой уравнение электри-
ческой цепи которого имеет вид (при I =1,.-1>: £21 к м
. (14)
Показано, что МГД-генератор будет возбуждаться (с11/сИ>0, 1>0) при
ааьо
Увеличение тока и магнитного поля приводит ¡с перестройке сверхзвукового течения и изменений вида вольт-амперных характеристик. При этом ток насыщается и достигает продольного значения Г^д» Для каждого самовозбуздающегося МГД-генератора существует максимальный ко-э<1ф;;цизнт усиления по току Я.гс^1прэд/1*, (по энэргик - Ку0).
Для численного моделировшшя процесса электрического запуска и самовозбуздекця ИГД-генераторсв разработана методика н на ее основе программа "САМ". ' ,
Четвертый раздел 2.4 посвящен моделированию нестационарных прос-транотвешмх течений и устойчивости режимов работы КГГД-генараторов с сильным торможением сверхзвукового потока. Па первом этапе была разработана математическая модель, основанная на численном реибпаи нестационарных квазиодномерных уравнений течения равновесной однофазной плазмп в канале; Ш дР л
— 7 —- 1- Н » О , (15)
№ дх р
гдо и= |р, ри, р(Н0-р-)\Т; Р=\ри, риг+Рг риЛ0\'г; 11= |риг, ригг+?х,,Н0г^и\Т
Можно показать,что система уравнений (16) имеет три направления характеристик и дифференциальные соотношения на них:
«Зх/йг) сИ'-с2йр^(1-1 )12/ааг; (йх/т )г 3=и.±с;
ГГ 1 Р 1 п7>
с!Р*срс*и={ 1(7-7 )и±с I 'Ра.Ч7-? .Ши~сгриг*|<И.
При работе фарадеевского МГД-канала со сплошными электродами на омическую нагрузку ^ напряжение на электродах в каадый момент времени определяется соотношением
Г a^iBclx / !r
f -? r;í'3 1
Ia-1 ñ^
Г18)
Дчя делоталмо^ НГД-гог^рптор'» яжьгвдоо лолюго тока но про-
г p.'-sa ' г' 7 1
/Т*> --- ---т—и&Ък / jfí :■! — -------И9/
¿ Ute'-a lhJ сл Utrfa )
На д&боЗ а• правой грани? их расчетной области задается краевые, а в яача.пъклД чека»т врсчмта - и«:"а"ыгно услозпя, которчэ определятся uccTworí"ott г^датк,
Йригадояввв втв система ийотавюп.гркнх уравнений решалась пис-)®зпо иг- 'иной схауе ''пр^дшстор-когрэктор" Мшс-Кормака. Разработан^ пая Г'одель рзаяазоврне о вида прогрзммч |:МДК" и содордит ~/5Ш операторов
Для пространственного течения однофазной плпзру в ГТ
сзергэзуковых ¡Л'Д-гэнерзторта снла разргботэнэ кодаль, осяовяшая нэ тоо*таюи ргшсявя ci:cTe!.a уривпепий:
аи OF OG он -
_ + + ^ 0г ¿•рп,)
0¿ Ох Оу üz
ÍÍ3 этой спсте.та путал ссредпотатя тю оси z могло получить квакп-двуыернко уравнения:
flíL c7ff
—+ —- + —2 * i?, = О, .
dt Ох ©7
гд-з
• л ' Т
57,,- £ рог, рад, рш, (е + fu'? I- vs)/2)a j,
í púa, (ом2 pja, puya, puf i + (цг v'?)/2)aj,
G2-= I p-ju, puva, ípv2 + p')a, ovil + (и2 a v?)/2)ajr
Q= | 0. с. - p tto/dx. Г ,c - & да/Cu, W.a{~.
7 p
Здесь э~-р/(1-1 )p; í-c-.'р/p-—— «
T-f P .
Вид 1точапш1Х p граничных уолокл«! сОлостк Г? г.о-
í-?ci-;í '!т конкретной постановки задачз.
Для численного ревэнпя систем ypssuejniñ (20) и (21) яспольяо&ж-ся щшцйп расщэшкиэтя задача яз гг>!?о- и члсптро/лин^ндскуч чпс:л ii сзтробпроьзпа'П! метод Годугоо.! - Иолгат Год?тот отп, На сстоеч пррд.*:с;:оЕЖ г'ч;-" раяросЧзтоги тггсгр'?"!4.«
(2ВТ~15000 онаратороь) к ПП0Т0К-3В (ЗБТ~15000 ошрггорои).
В пятом раздало 2.5 предс-гаклена катоамичоо««ш кздзль стационарных пространствзшшх двухфазных точог-шЕ в Г? сверхавуковёх (Л'Д -генераторов. Моделировать таксто точоигя осуществлялось б рыжах- кьаз:-;--двукерной модели ЫГД-Т6ЧЮШЯ Ь ПЛОСКОСТЯХ СЙМ&ТрЙВ Г'Т 2=0 и у=0.
Осредаяя трехмерниз уравнены дьухфазного гкыидшдеро&и-о тоЧйьий по оси г, получим квгзидкушраое приблкхвшм, котороз могши предега-вить в до- и трансзвуковой областях а с&ояхщт виде:
бри/ОхЮри/ду^в, д(р и )/6х -> 0(р(и1)/оу = й
риди/дх+рж)и/ду+дР/дх=а, р.и. ди./дх + р.у. аи./ду а,,
»1 % II \ *■ £ ОО ^
риди/дх+р1>дь>/бу+дР/ду=Ь, р и{ О'и^дх + р,1>{ ии^'ду = Ь,,
д(ри}10)/8х1д(ри110)/6у=0т}!оа, р {и1 ОТ У ох + р{и{ 81/ду =
Для решения система уравнений (22) использовался котод расщопдэ-1шя по фиаичиским параметрам.
Система уравнений записывалась в ортогональных координатах <р,ф к приводалась к виду, удобному для применения метода пргбдькздзюЯ факторизации. Для определения параметров частиц использовалась система уравнений из (22), аагасамюя таказ в координатах ф, ш вдоль траектории частиц, решение которой проводилось о использованием безусловно устойчивой схемы второго порядна точности.
Для решения систем квазидвумеркых уравнений для газа и частиц и сверхзвуковой области течения использовалась яьяая кояечко-разност-ная схема Мак-Кормака. Квазидвумерная система уравнений для газа ъ плоскости г=0 принимает вид:
ал дБ -
— ^—+C=0. (23)
дх 81 _ _
Здесь 1=у/П(х), А=А1'п;
¿{=(ри, риг+р, рыу, оиЛ)"; В(=Гру, рш>, ри^-ф, рьН)'1';
£-7 1-7 1-1
Дяя расчета течения в канапе МГД-генератора к/ системе уравнений (23) добавляются уравнения электродинамики (см.п.2.3).
Расчет параметров частиц .проводился с помощь© системы уравнений, записанных вдоль их траекторий с2у/сЬ;=и -'и ^
йи,/(1г=с .(и-и.) , ф)./йх=а ,(Х)~и.), йТ./йх= с /с-„.с .(Т-Т,); I г< II г1 ( ( ■ р 31 а{ {
СП . A.lX=-
1 (Jil, I .. ' !----"f- V.
v dx u{
lay
Параметры "газа" частиц находится с ггс^сцыз бсзуслотю-устоГггавоЗ схемы зтсрсго порядка то'-rccпо аналогии с расчетом в до-трапо-звуковоЛ области.
Для определения ръсггределенш! плотности тока j -н электрического
шля в чсиользовэяись гшазкодаомерная (И) и квазпдвумерная юдзст (программа "uQjiE").
На безо стрэдлсягатесй юдслп разработан алгоритм к создана программа "KARA.?-S4 (--600Q спорзтороз).
В гретом раз.'шле излагаются постановка и дазе модели нестапи-опзишх тздготгх процессов в теппояккутду.ифуккгх. стенках ГТ гашульс-мНл МГ«-гоператороп. В первой гадали используется квазпдвукеркое (£ плоскости продольного (вдоль потока) сеченпя стешет) приближение для урпв(Тйтп:,ч тогглотфогю.'«гости с переменными коэффициентами: ftcoriV J дТ 0 дТ
------ ..... ,т> д — ,г. _ ж Q _. ^ (,25)
Ос д.т ■ ,д:с ду 2 дц Здесь и у.г-хг(Т) - коэффициенты теплопроводности вдоль
nsitnoBJiema х и. и соогсзтственно. Тепловой шток 17 { от газа к стило определялся '.ттегралышгли условиям! теплообмена, а коэффициент теплоотдачи определялся в ¡результате расчета пограничных слоей (прог-рашэ "СЛОЙ"} ¡т.тредвар.чтвлГьно или совместно (программа "ОЕ!.!Ш") с тэ-ГьПоешд расг-'этга стешси.
Вторзп тлэйойь, осповаиная на квозиодномерпом прпбл^лгата, позео-•ЛГ5Т рассчитывать для однородных участков ГТ настйцпсиарнкэ поля температур и тепловых потоков по нормали к стое'о. Для '-глоданного рр'яешш Уравнения (26) псгольсо^ался г/етод "фзкторпзовашшх тепловыз смешений" (ci*.n.2.3), Разработетшкй метод .расчета реализован в виде програкы "ТЕПЛО" (-3000 операторов).
При достгшепга температурой стонкп тонпорэтуры рззруаепия композиционной нярвмнкч ?d уравнение баланса тепла на ее оптовой поверх-:icct:-i принимает вид:
dO ОТ
alT,. --Т.)=р 8 —3 v- \Г-~) , (2Ц)
a*» d я л д п 0у л
где рп - плотность, ген,юга термического разложения, 0nf£) -глубь^а разруиения материала стенки. Совместное реиошю уравнений (25) для слоя умонъшагецейся толщины н (26) пезвопяет определить за-
гшсймосгь о-г врвкгшз гбшлвог-о состоя]«!« стзяьй, тэвгтааго потока г
г
стешу ^(Г)=Хт,(дТ/ву) > и а>сВ ЛИ и .
Дл» численного шделиройашм сопрааакяог« 'гзядаэбшна е кмпудъо-ш МГД-гййорз'горил аиганомпио прогрсшк ''СЛОЙ" к "ТЕПЛО" объодан-эш ь одну тфсграглму "0БК5ЫГ.
В сояьмоа разделе 2.7 прэдотььлик в обобран,:«,; авдз весь комплекс р&зрабоъашйо: штсуавизскаж «ододой к программ (всох-о 11 > см.таблицуь даются их характеристики, указываются связи и :х>зйоасив области шашодойстьия мокду кодчляьш. оозладрваг«лыюст ь и область
их воош23юго приь©н«нвя. КЬШККаЩКОДШЮ ыодоли, из совокупность или «чякжудностъ всгал/огатальдах шдотЛ прадстаел.чют ьаюкаччгчоокпв ыо-дешз сверхзвукового Щ'Д-гоноратора ка равновесной пльзмо различного уровня. Программы пшшсаш аа языко $ОРГРАН, включают ~50 тис. операторов, адаптирована на ЭЬ.\1 различного уровня (от ПК до клш-супор ЖЛ).
Глава 2. Расчотпо-тйооатпчос:.се исодадованкэ шюцвпсоь £ свзрхивуковкх 'Я"'Д-гснораторах..
I лаьа ^ |ЮОвяз<эн& анализу и чисдоишш несло дсшшшы осиоышх •фоцэссов б ссьрх&в^ко&их МГД-г&шпаюрах. Результат« исследования каждого из рассмотрении/. процессов видвлмы в от&ш>дой раздел. Таг.!
ириво,!р:тся сравнение с шлекздавсп акоп&рш^итилыирли ,яашш„к1 и результатами иссдадоеашы других а-х'ороя.
В раздала 3.1 ирьдстыуюш рэзульгатл исоледювщиы! особошюстой И-лОУ™ ор'зрхзБуиоых МЛЬ^М^^ЙЗ!!•
Дли «яичного фарпдгэовского ЫГД-гскоратора "Пшир-111 с; помсадьн . шквшрао-фазичйских моделей проеодиио исследовгшю -влияния при&лвк-•уродного падения ншряг^шл. пограничник слоев, ргалыш. свойств ¡р-бсучи-'о тела, доухфзгкой норачвовзсюсхл ш мотооть и к.п.у. т)„.
Показано, что наибольшее ьденны на ы'&ргетапескич херактариог-к-ки члгаульенах г.ТД-ганоратороь при уровне их мовдюстуй <2С'££м оказывает повсрхностные чввоычр - приайвктродг'ои ппдзнцв потфяжйшя л йо-граяичнш слои, которая могут приводить к уменьшая« влолгрической гквдостн до -'302. Иродедьшэ ьнергвтическио характерней!® сперхзву-ковы« МГД-Рйнэраторов ¡а продуктах, сгоранш ТОТ ("( Ц.И) с лшюйянма .'чшэдш* и с васокой шкгоюс-гью мощности {Н ^МХИНк^Ж3) огратгодц прежде всего отрывом пограничного. слоя и (ила) появлением ударшг волн.
табЛйДа
Ы* Мьд. Программа Моптируемый физии, процесс Размерность на,тем. модели 1 Чиаи Метод ! опера-йешения \тсро5 ЭВМ \сяепа \5ароант [ Тт.ичнв? сеткз
/ К АН Стационарно* одно<рамое МГА-течехие /27 Рунге- Кутта ¿00 5ЭСМ-0\ /0' 500
2 ФАЗ Стационарна дбухфазкае МГЛ-/печение т Рунге-Кутта чОО 1 — 1 10' 500 200
3 МАК Неаационарн. одномерное А//Д- течение 1ВТ Я 6 паи схема Мак-Хорпако то /у.
4 КАНАЛ-1 Стац. ддух- фаше п&ы&р. МГА- течение /в --¡!—— 5000 Ъ'ЗСМ-6\ ЕС-1060 /у >(000 1
КАНАЛ-! Скац. а&унер. дВухфазнз? течение 2 И —„— 6 ООО 53СМ-& УАУ.М-; 2 н и ЮНО 200х Ю
с СЛОЙ Ту об, и лаиин. ИГА -погроми' с.'.ой 2 а ТТёяЪная схема с и/яероциЯни ГООО М-1 ! 30' Ясггзчск. ЗыОср шага, №
7 ПОЛЕ " стац. докера ? \РК гроди/'ом при 8ej.il г и Метод установи зим, яЬно-ненВная оека, расщешениг по X, У +000 3000 М-1 М-! 10' 200x50
ТЕПЛО* Иестац. тем. процессы ё Ст&юх МГЛУ 2ВТ Ю' 50*20
9 ОБМЕН Сслрях. теякс!я /■¡ожау П.\ '::1.'.'Сй и стенкой 2ВТ Комплекс ш программ JE.UO' и , СЛОЙ" Ш М-1 ^.. - 200'¿0 \ '¿00*20*20 100*10*10
10 ПО ТО К-2* Нес,1гсционср. дЗумгрное МГА-кгчеме '2 ВТ Ябная схе^/а Гсдуно5а 15000 М-1 /-5 у
|// ^Н&шациопср ПОТОКА \*?е/кер*се | течение зпт ! — 1 1 15005 М-1 1 > Юч.
* Программа написана для бектарча- конвейерной ЭВМ
Обсуадается точность различных инженерно-физических (квазиодномерных) методов расчета и границы их применимости.
Далее проводится анализ рассчитанных ц экспериментальных ("Нашр-1", ''Памир-ШЗ"', "Пймир-06-4") вольт-амперных и нагрузочных характеристик, распределений локалышх параметров в МГД-генераторах о канала:,и фарадэевского и диагонального типов в условиях сильного МГД-Взаимодэйстьия (Зи=аВгЬ/ри~1).
Установлено, что вольт-амперные и нагрузочные характеристики фэ-радоевских МГД-генвраторов при появлении ударных волн и отрывных течений становятся нелинейными, а уменьшение мощности составляет 303402 (рис,2). Диагональные МГД-генераторк имеют ограниченную область < допустимого натружения, выход за которую приводит к течениям с ударными волнами и качестветому (в несколько раз) уменьшению электрической мощности (рис.3).
Ылжродуговое протекание тока и его локальные концентрации на краях электродов способствуют отрыву пограничных слоев, который наступает уже при небольших (~5'105Па/л) положительных осевых градиентах давления в МГД-канале и раньше, чем предсказывает расчет в предположении диффузного протекания тока. Резашы торможения потока в импульсных М1'Д-генераторах с уменьшением давления по дл!ше канала обеспечивают устойчивость сверхзвукового течения.
Ь разделе 3.2 рассматривается актуальный и практически вааошй вопрос об эффективности МГД-преобразования энергии в МГД-генераторах с линейным каналом. Численно исследуется зависимость коэффициента преобразования энергии (к.н.э.) от параметра МГД-взаимодействия коэффициента нагрузки, свойств рабочего тела, степени раскрытия канала, соотношения.его сторон. Показано, что эффективность преобразования энергии в сверхзвуковых ЬЛГД-генвраторах на продуктах сгорания с линейными каналами зависит от его профиля, допустимой плотности .мощности и обычно ограничена отрывом пограничного слоя и (или) появлением ударной волны. Профилирование линейных каналов фарадеевских МРД-генераторов со сплошными электродами па ТПТ из.условия беаотрыв-косги течения (Г>1кр у,р<0) позволяет получить удельные энергетические характеристики на уровне 1^-15%, цуд~0.9ИДх/кг, №уд~100МВт/м3, а использование секционированных -электродов -• увеличить эти параметры и?. го%-зо%.
Раздел 3.3 посваден исследованию нового физического явления - да намичаского гистерезиса ИГД-течений в каналах, который заключается в
400[
V Опыт № 4 Опыт N'8 ' / У 1-Вв'5,1Т 2- 3,6 Т .3- 3.5 Т 4 - 2,5 Т 5- 3,0 Т
ч Ч> \ \ ^ /
\ч ч/ л?*-
/ - -
л Г5 -
Ри0.2,..Воль*-емперные характеристики Фараде •■
'»4
' 'евского МГД-генератара "Памир-1ПЭ"
реализации различных значений интегральных и локальных характеристик МРД-х'енератора в зависимости ' oî- направления и скорости изменения во времени одного из определяквцнх параметров (например, магнитного поля а-чя сопротивления нагрузки).Это явление обуслоълено различием скоростей распространения газа- к электродинамических возмущений в объеме плазмы и электрической цепи (проводниках) и аМоктом далыюдоЯстг.ия.
Форма кривых гистерезиса параметров потока зависит от скорости (частоtu) изменения определяющего параметра,раостоин:!« от к хода а ЫГД-какал, схемы ■ коммутации элоктрэдов и пара-мтрл МГД-йпьтакгж-й-зтьия, а ширила их петель значительно превышает ан-'м.опг-иш огшиси-мости для интегральных ей личин i На -рис. 4 ткасано аттш чнеиш изменения магнитного поля B(t)=B0Slmt на Форму r.w..i донаглй-чеекого гистерезиса для давления (а) на п;ходе из (т-О^я) и полного тока (Ь) экспериментального МГД-ипюратор'» "Пшар-О" при сильном МГД-ьзаимодойствии (В0-4Гл, s *0.7): "О" - стационарной решение; 1 - г-20Гц; 2-60; 3-200; 4=600; б-бОООРц.
В наибольшей мере гистерезис проявляется на частотах, на порядок меньше обратного времени пролета. Однако s-ra явление имеет место и при 1шзких частотах fv«t j', t t=L /и ), что обусловлено ышяшем локальных возмущений в потоке на всю область взшдодойствия (оффь-кт лалыюдойствия ) и наблюдалось'в экспериментах на фарэдеевеког/. и диа-■ опальном каналах МГД-уетановки "Памир-О".
В разделе 3.4 исследуются переходные процессы в самовозбукдаювмх-¡jfl КСД-генераторах применительно к импульсным МГД-генераторам на 'ШТ.
Теоретически показано, что с ростом энергетического комлекса плазмы ou2, масштаба (расхода) МГД-генератора и электропроводности, ¡материала обмотки магнитной системы услоькя самовозбуждения улучшаются. Если зафиксировать все параметры, кроме одного, то можно определить экстремальное значение выделенного параметра,при котором происходит самовозбуждение. При отсутствии приолектродного падения напряжения дV порог самовозбуждения ,не зависит от. начального тока, а
*
величина ДV0 определяет его пороговое значение: IQ~hV /(tuh,-h/{aaL)),
Существующие плазмообразущие твердые, комбинированные и гибридны- топлива 50См/м(км/с)г], генераторы плазмы, МГД-канели, магнитные системы с обмотками из меди или алюминия позволяют создавать самовозбуждающиеся МГД-генераторц при расходах рабочего тела .jiOiiz/c с характерным временем возбуждения ~1с, усилением по току в десятки, а по мощности - в сотни раз. Приведенные выводы были под-
i а)
■i ■/>■'-M'
f /
---у--------J -, J / ,-----
-■-y-
I ^ 'íj I
О I.-.________
"J)
3
-- *. -
/
X . //
/А" /
'A
/s
Ê7 I
/
//■'Sj-i
'l'i
J ^
I n
и
ti
Гло iЧаете]1-? :".^n'r"- ^a
Ш13Г1 дпии г«ео.сого пятероэгса дчя трвпсн'у: па
rLiSDJJS н'1 •■••••'^'»"'•2 И UG-'WOÍV ."Oiíd
jn-'ÍU, fit - НПя
■ Vi,. . /1-
s
A- i/Л
__' /J y? \ __
/ /,-r i \
v*.e
--r
¡/
•rL..-
J--Л-
"W
i-Cü-n ¿лепечи«смтолыюе ir -рос»ст~ ног ?ir<? и ислргг:з;г.:г'
Ш"Л1 "IlrASip-I—1/0" uo ых'мет:
тверздеиы результатами многочисленных экспериментов.
Численным исследованием установлено, что нелинейные .процессы в МГД-канале приводят к сложному виду вольт-амперной н нагрузочной характеристик, а процесс самовозбуждения при нерегулируемой нагрузке ограничен появлением ударных волн и отрывных течений в МГД-капалз, что приводит к насыщению тока, сшксению напряжения и мощности на ЗСЖ~50% по отношению к достигнутым в процессе самовозбугдашя (рис.5). Развитый закритический репсам работы самовозбуждащегося ЫГД-генератора характеризуется устойч'лвой вольт-амперной характеристикой и установлением практически постоянных электрических характеристик (зф$ект газодинамической стабилизации), наблюдаемых экспериментально .
Рассматриваются также переходные газо- и электродинамические процессы, связанные с перекоммутацией внешних электрических цепей МРД-генератора (сопротивлений нагрузки и обмотки магнитной системы), что позволило установить особенности и времена их протекания, а такие характерные "забросы" параметров.
Результаты исследований нестационарных течений и развития возмещений представлены в разделе 3.5. Сначала рассмотрены особенности нестационарных процессов и устойчивость течения в канале фарадеевс-кого МРД-генератора (на примере "Памир-1").
Установление процессов, возникающих при подключении омической нагрузки, происходит за времена, в несколько раз превышающих время пролета í(=Ь/uI, а сброс нагрузки - за время, близкое к пролетному.
Устойчивость течения и характеристик номинального режима работы МГД-генератора изучалась но отношению к модельным одномерным (слои) и двумерным ("стержни", перпендикулярные плоскости 2=0) однократным и непрерывным синусоидальным возмущениям давления и температуры на входе различной длительности.(частоты) и амплитуды. Установленог что течение и интегральные характеристики фарадеевского МГД-генератора оказываются устойчивыми по отношению к входным возмущениям достаточно большой (<?0Ж) амплитуды (но не приводящей к кризису течения), которые практически не усиливаются в МГД-канале и выносятся со скоростью ~(и-а ) (рис.6,7), а пульсации напряжения (тока) не превышают нескольких процентов .
. Далее рассмотрены нестационарные процессы и устойчивость течения в диагональном МГД-генераторе. в частности, возникающие при синусоидальном изменении индукции магнитного поля (при заданных Во и ^ ). Показано, что характерное время процесса нагружения зависит от типа
г
О-
-г
2
О
-2 Ч
0,4
о, г
V г / /уз *)
V \
V V А V
я
КГ 7\г ь
V Д.] 1 1
V 4
—• 7\ 8)
^—"V
0,5
I
Рнс.6 Развитие однократных возмущений давления -(а),температуры (б) и плотности тока (в): 5р,=бТ(=0.03; .
т=4Л;=0.1; 2- 0.5; 3-1.0
PîïC.'T Развитие диумерного однократного возмущения электропроводности в фарадоийском М'ГД-гонеоаторе "Памир-1" (В0=ЗТл; Y=600B; ]>2¿kA; öpf=GTf=0.1; 50^2.3; Да=30м/и)
в диагональном МРД-генвраторе "Па.-.'.лр-0" : 0рт=0Т}=0.1; ¿tu=0.1t(
• тц-шния в установившемся рмюмо к мбшу лзмош.тся от ""I то '10 про ■ г.ои пролета, а отклонение напряжокш (тока) коке г ироьшать номинальное значение. Слаба« однократны« возмущения 6р 62' ~ 0.05 в потока (ЛГ <г!) в пело.1,: остаются локализованная! л шносяюя со скоростью (и-ао) за вре«г. ~}.6'г г, усиливаясь и раздаваясь вниз по потопу. Полное время релаксации возмущения за счет его усиления в канале и пфрокта дальнодействия достигает. 41 г В наибольшей море нарастает гюзмущешю дакг.лгая (рис,8), инкремент (~?0-,с~') которого почти на порядок выпи инвреионта акустической неустойчивости в лкнойной теории. Это указывает на возможность неустойчивой ¡к^ога диагональных МГД-генораторов при пошшешздх амплитудах и определенных частотах возмущений, для порг.одических возмуцоний онредо.чош зависимость полного тока МГД-канала от амплитуды и частоты, а также существование их критических значений, приводящих к появлению ударных волн и снижению мосщости в несколько раз. Показано, что влияние короткого замыкания или разрыва межэлактродной коммутации на любом участке канала распространяется на всю оолзсть взаимодействия, а время установ-леш;я стационарного роггпма составляет 2-5 времен пролета.
В раздело 3.6 представлены розультати подробного исследования структуры электрических полой и токов в .фарадчесских МГД-хапалах сс 1 сплошными электродами.
.В инженерных методах расчета МГД-гонераторов влияние продольного краевого оф^окта целесообразно учитывать путем введения концевых токов утечки (приточки) М на входе и на выходе. Утечку тока на конце электрода удоено представить в егдо АГ = (оиВаЬ)-оа1/ >1я2/%.
Численное решение двумерной модельной задачи электродинамики в концевой зоне МГД-канала со сплошными электродами ф«}) позволило определить и зот аудировать коэффициент зависящий от длины
участка на котором магнитное поле уменьшается до нуля, и от
выноса однородного магнитного поля относительно края плоктрод-
ной зоны .
Численное исследование структуры электрических полей и токов ь фарадоевском МГД-генораторо показало,1что:
распределений определяется схемой коммутации сопла, анода, катода и диффузора и размерами изоляционных промежутков;
-взаимное влияние протекающего тока и параметров плазмы приводит к нелинейной зависимости распределений полей и токов, утечек тока от степени нагрувдния (напряжения) МГД-канала (рис.9);
ц.о , ¿0
о ■2.0
г? 0.2 о.б о.з !.о
РЕС.Э Зависимость тока утечки на диффузор от напряжения в МГД-генераторе "Памир~1ГО"
тока в плоскости в=0 ГТ МГДГ "Памир-1-4/8" при фа=ф =0
-на .входе и выходе из МГД-канала образуются вихри тока, структура и центры которых определяются интенсивностью утечек, потенциалам! опода и катода, распределением индукции магнитного поля (рис.10);
--замот-псл отличие от одномерного распределения электрического поля (Е =0; -Е (х)) происходит на расстояниях ближе 0.5 калибра (по я и У
ыеаэлектродноку расстоянию) к краю сплошного электрода (рис.11);
-в этих же областях нарушается монотонность в распределении плотности тока, причем вследствие краевого и эффекта Холла на верхнем по потоку конце анода и нижнем - катода происходит концентрация тока, величина плотности которого может в 2-4 раза превысить его значение в средней части МГД-канала (рис.11); . .
-в номинальном режиме работы происходит полезная генерация тока и момвости (до ~7Ш) в областях за предела!.® электродной зоны, которые имеют вытянутую вдоль оси в сторону сопла и диффузора каплевидную форму;
-распределения плотностей тока и электрического поля резко изменяются в области ударной волны в МГД-канало.причем величина поперечного тока может уменьшаться в несколько раз. Плотность электрической мощности за ударной волной распределена неравномерно по сечению какала и в цепом меньше, чем до нее.
Областью и величиной генерации мощности, а также распределениями токов и потенциалов в концевых зонах МГД-канала можно управлять (в определенных пределах) путем изменения длин анода и катода, их смещением относительно центра магнитного поля, сдвигом катода относительно анода вниз по потоку , а тик»» с помощью секционированных электродов, расположенных за и (или) перед анодом и катодом и связанных с ними через балластные сопротивления и диоды. Оптимизация расположения электродов позволяет исключить крупномасштабную концентрацию тока на краях,утечки тока при сохранении уровня электрической мощности и тем самым увеличить ресурс газодинамического тракта. Для МГД-устаяоьки "Союз" проведена параметрическая оптимизация расположения сплошных электродов, обеспечивающая отсутствие высоких концентрате! тока на та концах .
Полученные результаты удовлетворительно согласуются с многочисленными экспериментальными данными,
В раздело ЗЛ изложены результаты исследования пространственной структуры однофазного сверхзвукового течения в Г'Т импульсных МГД-ге-нераторов. Сначала рассматривается в квазидвумерном и трехмерном
\
. . § А,'"1 g
Ii
Uî Ч/fj
■ „ s
U J
JNTfrJ
.кгкшг
JXSH JYivî JVTTY!
i!í
г i« 1 ^
II • *
fil ; Ia ! v<?
i
\J \
2 -к,"
г ->•,"
Pi J Ci-'< 1 Ряспродолоиия шюгностеЛ тока (а) т; г.лчктри-юстсого
пол я (и) в плоскоо-ц: в=0 Г1' 1--4/'в" vp^V
приближениях CTjWKjyjM офь^зпого потока в соплах. Показано, чтз для типичных прот-алей сстл импульсных ИРД-гепероторов (M--P.3-3.Ú. ипи-Золыяяа лотюречлм* неоднородности на входе в какал имеют давление, и электропроводность, которые» могут достигать ~PO.fi. Следователь!-:-'-. коррокшоб исследование ироцессои в МГД-канале должно прородотъе.«. с учетом структуры ноток:,. Формирующегося в сопло, на что ранее обращалось ышмоння.
Оценка и расчет показали, что МГД-процоссн в доалоктродноВ зош па оказывают заметного г-яияния на параметры на входе в МРД-канал, причем наибольшее отклонение г.меет электропроводность (до тЮ%).
Взаииодействиь сверхзвукового потока с магнитным полем ь ?tí> канале ¡гриводит к ШФ2.|КЛ1Ш® свшат«!» и распределении параметров '••/ -нооит&льно плоскости у-О и рззьйтию колебаний сверхзвукового потока под действием поперечных пондзрлоторнцл сил и градиента давления. Е результате устанавливается волнообразное распределение параметров вдоль электродов канала. Для ■импульсных МГД-гоноратороь неодаорад-ность доьл&зтя ш&ет масштаб l-'¿ калибра, а амплитуду - до 305, причем давление на катодо всегда выше, а температура и электропроводность -- нвао, чем iís аноде (рйо.|2).
При врошзошп в "среднем" давления на выходе из МРД-канэла его значения на входэ (критерий Стюарта S^-^J >BLt/ptu^O.25) на нижнем крап электрода (для рассмотренного случая - на аноде) начинав? образовываться волна сжатия, которая но мере увеличения МГД-взпкмо-действпя скздается вверх но потоку и трансформируется в косу» удар • ЩП волну с углом наклона $20°. Ра ударной волной поток оказывается сил i. по неоднородным поперек канала, причем давление на1 катоде может в рааа превышать давление на аноде. Если давление выравнивается па расстоянии 2-3 калибра за ударной волной, то неоднородности остальных параметров, изменяютсл сложным образом и выносятся в диффузор. Предельнее положение косой ударной волны в ИГД-канале соответствует регату короткого замыкания и для импульсных МГД-гвнераторов составляет ~1 калибра от входа (рис.13).
Перетекания тока между проводящими элемента?.« ГТ приводят к лс-кальному повышению температуры, электропроводности ,теплового потока в стенку и изменению распределений электрических полей и токов. Этот эффект мо::ет привести к локальным разрушениям стенок и его необходимо учитывать при проектировании ЫГД-генераторов. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.
6
ршк)
4
. 2
__°03 _ 4.0 1$ 2.6
Ряс,12 Экспериментальное и расчетное распределения давления вдоль анодной (2) и катодной (3) стенок ГТ МГДГ "Памир-1ПЭ" ( В=3.6 Тл; Н=1,7.5 мОм)
2-0 ГТ МГДГ "Памир-1-4/8" для течения о ударной полной ( К.З.)
Раздал 3.8 посвящен анализу процессов, связанных с двухфазными точениями в сверхзвуковых МГД-генэраторах.
Сначала проводится численное исследование особенностей двухфас шх течошй в ГТ в квазиодномерном приближении.Расчет эволюции спектра жидких частиц Л1г03 от камеры сгорания ((1^3=4шил, нормалыю-ле гарифмический закон распределения частиц по размерам, 10-20 фракций I до выхода из ГТ показал,что основное изменение спектра частиц и увеличение их размеров вследствие коагуляции происходит в до- и трансзвуковой частях сопла (рис.14). Спектр жидких частиц Л1г03 вследствие коагуляции и дробления изменяет свою форму и смещается в сторону бодьиих размеров частиц (рис.15). 'Спектр и характерные размеры части, степени скоростной и температурной неравновесности на входе в МГД-канал зависят от состава продуктов сгорания-(топлива), размеров (масштаба) и Форш сопла и для типичных условий импульсных ЫГД-гене-раторов составляют: й =10-20якм; бы =-0.5%; 88 ^0.4% (<1.=2.жи),
66 =+6Ж (й10=23лш0 . Неравновесное двухфазное течение приводит к отличию параметров газа от их равновесных значений как в сопле, так и в МГД-канале.
В результате вычислительного эксперимента установлено, что с пе мощью МГД-взаимодействия можно осуществлять объемное воздействие на частицы Х-фази б потоке проводящего газа. Так торможение сверхзвукового потока газовой фазы в МГД-канале приводит, начиная с определенного расстояния от входа, к обращении направления взаимодействия между газом и частицами: частицы начинают опережать газ (до ~20% по скорости) и увлекать его за собой с помощью сил трония (рис.14,16). Вследствие этого эффекта К-фаза участвует и вносит заметный (до 20%-40%) Бклад в процесс преобразования энерпш в МГД-генераторе, что объясняет факт достаточной точности расчета энергетических характеристик с помощью модели "псевдогаза".
Пространственная (в квазитрехмернсм приближении) структура двухфазного полидиспарсного течения в соплах и каналах импульсных МГД-генераторов характеризуется поперечными (для давления - до 40%) и продольными (-1 калибра) неоднородностлми параметров, которые в целом затухают вниз по потоку быстрее, чем в модели однофазного течения. В сопле происходит осевая ф6к.ускрог.ха частиц, что приводит к образованию достаточно толстых (-10Л от поперечного размера) пристеночных слоев газа с повышенной (на -15%) скоростью и пониженными значениями концентрации частиц, температуры (на ~15%) и электропровод
&ис.14 Изменения диаметров частиц К-фазш О^ ,, С/^2, с;соростиоП /сО / и температурной / в/ двухфазной иеравноЕесности по длине ГТ "Намир-1ПЭ"
»л®/1" м**; 1 1
/1 ¡•ыслеримтт 2~ ^
[рЙ" \
Л 1
V
Г 1
/ 1 1 1\
Рис.15 Экспериментальный (X) л расчспши (¡3) спектры час-тага К-фазы в МГДГ' "Памир-О"
поста (ь посксжко роз) относительно их зиэтяаФ на сои (рис.<б>.
При !Л'Д- взаимодействия сижетркя погс-ка относительно плоскости и-~-0 яар$П£в?ея, «юперсчиая разность давлений достигает ни ко-
лчбптолыаЯ1 црцэсо пршетичёеки не развирзотск. Поторечше »во.г:юро-дноотн скорости, д/.рл&тш, тотаратур.ч и электропроводности к выходу из кай.'ичг» типичного импульсного ЗДД-геичрзтора могут достигать 2t%, 2СУЛ, Т% к 40% cooTCOTOii -зиио.
Велтопн, харектйризу'каао ияерцрошое выпялен* часта» на стоики fï, гастсят о? лага^отров дьухфыиого потока я прсфдяой до-, Tpaif-'а та^рха^коьой члеюй ооида. В газс.пйпа..шч9скш тракте существуй? (в ошг'.шыгам 1ю:>ут стсутстьсйать) облиегь (облает;;) г/акешаяыалч-вкродсяач частиц й-фазн (рш;.1?>, иридолыше "tpaoKTopiRî, углы подхода чсоч'Ш к стоже .Нагру?№ьие МГД-генераторп приводит к незначительно:^' (C?Gt) уволичэпию плотности потока частиц на стешет канала, что кс'зетлйот проводить расчет кшодлшя ь рета.».'^ газодтпми'юекого тн -чокпл. Качоотзешюо согласовании расчетного распределения ллстностк потока чадтвц Кчруаа н-> ствакл и изкорешик глубтт разрушения ст«-нок 4 тю.иан пленки Л"-фазы >)ьлнетег! коеюдним доказательством как ду^отйозатш ¡¿«»лшиокя эрозионного (наряду с термохимич&скпм) раз-руго!ша стопок ГТ, та;; и адокпатсостп описания двухфазного т«чсиш» коуглиью разработанной подулп.
Й огргяшчоьиой {.'остановки рассмотрена задача о построокии с^ерх-для jîî,tiiyj!j,cims №'Д-?'u:i.p vropop на двухфазном рабочем тэлл„11|лдаа»эц способ и привод;.:/ пример лосироешш щх>й«ла оптант -!ЮГО COÏUO, китсроо ьк.-ялает продольно короткую и îvpï ТУ?) пясть, фоку(л:ру>;!,:иЛ ч'рэиеявуховдб участок, кшжпо coupsnweditiofi с y^/'iiii-'iKoif еь«рхиь>коьой чаить», участок которей :;:-ляегсл
продо.т::-;чнам лпж'£кого МГД-г.-'па.иа змерх. но потоку, Такое сипло при аЛГ-ШПЛЬШК J£b!Il»i, ?>л1Л01Л!£ потерях Ь О'фПЦаТ^ЛЬНОМ продольном гра--,-Г!0;:то до г ягнил ¡..баопсивает отсутствие иторцце'ниего ¿'¿ладен'и! чао--т»гц к-,;>,зн на ît Юм ■iiit.-.icM ¡¡опцжа^т ресурс Г'г.
В 3.9 поо.пьдухл'ся развитие и структура /u'^ciK-iceiua г
топпоь;::: чогрочлчр'х слоов, ооооон/юотп коь^октчмэтй т^юор'дачи г ;;j;o:k'T4X условиях, хорвкгеримх длч сьорхсауког.ых еисдоот&чиопатурныг течений.
йп£13ллы<ий йртод рьсчзта турбулентных пот'рэшшньх i.s'Jbi; МГД-генераторах гогволлет учесть их слиянии па эдбр^таздение >;jpai<-ropitoTîîKîi и, oïiHW.» го»¡00, определить стеноп;, лепо-'ри^клм "орг/о'-к-
В(од
Рис.16 Попорочшэ (не оси у) распределения Парамэтров гозо и чг.отиц на входе и выходе из канала ¿йДО "Пс&ир-ШЗ"
'»•б „,
•Гйа» 47 'Распределения ЧвдотйооуеФ. ■потоков маосн чаочОТ. различных ¡й>акций> "выпа'далшх чга кзоляциокяуо стенку ГТ МГДГ "Памьр-1-4/8"
смргязукоеого готока. Усгзиоюодс, что ,пл>7 тсгзчкмх условий im-пугьспкх !.ТД-11..пср';тороз типа "Памир1' (Й »г, í) допуС'ШМОЯ степень доглкаюЕгя по otopos-ra сос-тевлпот -20% СЯ что согласуется с
дсшпжя.
С поггозц.« д*У1»раоЧ модели турбулентного пограничного слоя подробно яеслидогшш его ркзште л структура в ГТ импульсных МГД-года-ратсров. Полученные результата позволяют сделать следующие выводи.
- Развитие и структура туроулентшх погртгочких слоев на электродной « кзоаямиошн'Г* стенках линейного агд-кшшо. отличаются качест-ьокйо, что uúDúCMO'nío оинсать к рамкал интегральных методов расчета.
CJÏW.;, Û*
5припара-;ьтр;-' или могут использоваться б интеграль-
hjx ь'отодсг: ддл оирэдилбшт области отрыва пограничного слоя на "горячих " электродах.
- О ростом Ш^Д-взаимодействия толщина динамического пограничного слоя па электродной стоике увеличивается, наполненность профиля скорости уменьшается к при достикошт рь&фзделения и~у0'5 происходит ого отрыв (рис. 18). Профиль темпорзауш, напротив, становится более наполнении*, что приводит к росту ш длине какала(до40Е?) теплового потока, "дадвчеикв ворохопатостк стоики, ьдува газов (паров) через попг.ркиость способствует отрыву и его смолению вверх по потоку, а отсос на уроанэ 0 ■sfpv; /р ы >- 10~J предотвращает отрыв и, следовательно., ножя&ст зф£октивпость преобразования энергии.
- Ушнызопао -¿-ошторатурн электрода --1 вООК яригодит к нелинейному' уввяпоша дгоудова тепловыделения в нкносредственкой близости от поБзрхксс::; и плотности теплового потока, что может привести к подхода дп;'/;>уеного режима яротоггакпп тока в мзкролугогсЗ. Омическое сопротншклтэ приэлектродного слоя и при&шктроднов падение нанрязлв-\\м на но;-; увсличидаотсй и .достигает уровня 303-503 (рис.19).
- При aarpyrî&iiiat МГД-генератора профиль скорости в пограничном едз« на иг;г>.яя».можюй стенке становится более наполянпиш, а ого от-р;;з тоги/юшк только при на«ати акува газо. Профхть температура ока-nuBña-íra мопеа натолченным, но тепловой поток и коэффициент теплоотдачи праигаевт их значения для случая газодинамического течешь.
- Абсолютные значения интегральных 5дектродидп>«ических толшин пог-ргиьчшге. слоев и их изменение в канале, существенным образом (в несколько раз) зависят от режима кагружотшя, температуры и состояния поверхности стенок,
л
У-
/
« отрш
/ 7 2 ЛУ' ^ Лу^
1 А
__________ I
а
.... «4 " . "р. . Ж "а"
Рис. 18 Исмейзгте толщаш потери жлтульоа по длине электродной я изоляционной (- - -) стенок ( интегральный м^тод; 5-вдув; 6-отсос;
10
■0.2, _ иэ__- 0.5- 0.6
Зависттыость теплового потока на выходе ¡\г ТЛГЯГ '"Намкр-1" ' от температур*' мэктрода
Раздел 3.10 посвящен анализу ноотациоьарнах теплевых процессов в неохлаждаомых отатсах ГТ импульсных КГД-генер&торов, что потребовал'.' решения еопрякешшх задач нестационарного теплообмена в одно- и двумерной постановках. Сначала исследуются тепловые процесси в типичних многослойных по толщине, но однородных в направлении течения, электродных и изоляционных стенках ГТ импульсного МГД- генератора (но примере "Пэмир-ШЭ").
Установлено, что характерное время нагрева огневых певерхне^трй электродных стенок из графита В-1 до 2000К составляет тЕ'л*; г-.рс теп
о 2ССЭ 3
левой поток на входе - 5СО~80С>В:я/слг, время термализании - т: *>20с, температура - Т <*1100К. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по нагреву электродных стенок на входе н МГД-канал и выходе из него показало их удовлетворительное согласование (рис.20). Использование в качестве /-го слоя пирографита (ч^®о«0.5с) является предпочтительным, особенно для маломасштабных МГД-генераторов или при малой (<3с) длительности импульса.
распределение температуры вдоль поверхности стенки зависит ит используемых материалов: в электродной зоне она уменьшается по длине канала на ~30Ж, а в дкф$узорпом участке, облицованном керамикой РС-3, возрастает на ~30&. Нагружетю МГД-гопоратора приводит к выравниванию температуры по длине электродной зоны.
Характер изменения температуры поверхности изоляционной отеш из керамики РС-Т {А1-3-Н+Я1 0 ) во времени оказывается подобным наг--реву стенки из графита в аналогичном сечении: ч^ооо^^ооо' °ДН8К0 с определешюго момента времени (í^4c), .когда Тш=Та<*22СЮХ, начинается термическое разрушение композиционной керамики, скорость которого в фарадеевском МГД-гонераторе составляет ~0.2ял/с. .Бремя и температура тормализации ОСИ качественно отличаются от
электродной стенки.
В состоящих из разнородных материалов участках стенок ГТ распределения температур и тепловых потоков имеют чотко выраженный пространственный (плоский) характер (рис.21). Тепловой поток "обтекает" керамику по хорошо проводящему графиту и быстро достигает подложи. Наибольшие неоднородности температуры наблюдаются в переходных (■• нескольких ал) слоях между керамикой и графитом, а градиент температуры достигает ~2-1СРк/л. Время и температура тормализации определяются в основном процессом распространения тепла в керамике и составляют 00а, Т^,В»1200К. т т
из графита и пирографита в ГТ МГДГ "Памир-1ПЭ"
продольного сзчония стыковки графита с керамикой ка изоляционной стенке МГДГ "Памир-1ПЭ" в конце импульса ¿-6с / а / л при Ь =20с /в/
О результате численного исследования установлено, что перфорация сплошной стопки из графита отверстиями различной фермы и размера позволяет незначительно улучшить ее теплоизоляционные свойства (например, уменьшить температуру термалпзации на- ~ЗСй). . ' . '
Полученные результаты позволили видать рекомендации по повышению ресурса стенок газодинамического тракта импульсных. МГД-генераторов.
Глава 4. Пркклпднпо аспекта
В раздело 4.1 сформулирован принцип (с_хема) расчетного проектирования сверхзвуковых МГД-генераторов. Предполагается, что в результате предварительного анализа определены (или заданы) тип и состав топлива, мощность ь нагрузке (или расход рабочего тела), тип магнитной систомч.
11а стадии проектного расчета проводится определение состава и свойств рабочего тола,выбор типа МРД-канала и режима течения (например, Т=сопз%.), параметрический расчет энергетических характеристик, что позволяет пнбрать приемлемые ъарианти для дальнейшей, проработки.
Далее с помощью ншкенерно-физичвеких моделей проводится уточненный расчет (прямая задача) номинального режима работы и процесса са-ковозбукдв1ШЯ с учетом течения н предварительно заданном профиле сопла, приелектродных и концевых потерь,.
Полученных выше данных достаточна для проведения поверочного расчета основного варианта МРД-генерзтора, который может включать оптимизацию профиля ГГ, определение' газодинамических,' электро- и теплифизических характеристик на всех режимах работы. По результатам' поверочного расчета видаются ретамтещции для технического проектирования игд-геноратора. Предложенная схема использовалась'д;т проектирования МГД-установок различного • масштаба и назначения ' ("Памир-'ПЭ", "Союз", "Шельф" и'ряда других).
В разделе 4,2 приводятся результаты' расчетного проектирования МГД-генератора на Т1ТГ "Союз", проведенного по представленной в п.4,1 схеме. Проектный расчет характеристик МГД-к&нала основывался на решении обратной задачи для течения пои 2г=сопз1.., а определяющие параметры варьировались в следующих диапазонах: Р =4~7иПа; т=30-501сг/а; №.=2-3; В =Э-4Тл; .V-0.5-0.6; В=В(.х) и В=В0=сспа1. Всего было рассмотрено около 100 вариантов.
В дальнейшем проводится уточненный .расчет характеристик МГД-ка-калов выбранных профилей и процесса их самовозбуждения с учетом физико-технических ограничений. В результате такого расчета для даль-
нейшей проработки был рекомендован МГД-канал с профилем ЖЗ (Ъд=Квл'., Oj=ht=0.2lM; a =h2=0.3'fM), седлообразная магнитная система при номинальных параметрах: Рь=5МПа, т=49кг/с; М-^2.4, В0-3.5Тл.
Для,выбранных профилей ГТ, магнитного поля и заданных граничных-условий проводился поверочный расчет (модели "КЛПАЛ-1", "ПОЛЕ", "КАНАЛ-2", "П0Т0К-2'") интегральных и локальных характеристик"МГД-ге-нератора на четырех режимах его работы, самовозбуждения и неотацпс--. нарных тепловых процессов, что позволило определить основные параметры (мощность ЫГД-канала -до ~40ЫВт (в нагрузке - ке шкее 16МВ>ч), rjN - до 15%, q - до 0.9.ад~/кг, Яуд - до 200ЗВт/м3), эго технический облик и обосновать техническое предложение то созданию геофизической МГД-установки "Союз.
В разделе 4.3 рассматривается вопрос оО энергетических и массо-габаритных характе ристиках автономных «мпульоных МГД-устаносок на ТПТ. Численное исследование включало расчет или оценку характеристик основных элементов МГД-установкй: перспективных топлив, генератора плазмы, МГД-канала, МС, процесса самовозбузденяя, систем охлаждения и начального возбуждения (CIS), согласуще-ксммутирущэе устройство (СКУ). В качестве исходных данных принимались: состав топлива, фараде евский МГД-генератпр со сплошными электродами, давление в ГП -Ръ=4-8Ша, мощность в нагрузке ff =}(МОСИВт, напряжение - V^1kB, время работы - t
Показано, что' оптимальная МГД-устшзйка на ТПТ электрической мощностью 100ММ в .неохлаздаемсм вариант© {t ^15о) шкет достигать удельных характеристик на уровне q *W0-1.2MMsAis, Tj^wfSS, ц=1уст/Яэ«0.1т/МВт, что в -1.5 раза лучше всягтагщтнх. Определена доля казвдого из названных выше элементов в массе МГД-энергоблока, а также зависимость минимальной удельной масса р, автономной 'Еэнговазсу-адающейся МГД-установки от мощности в нагрузке.
В раздело 4.4 представлены результаты использования разработанных моделей для планирования, обработки и интерпретации экспериментов из импульсных МГД-генвраторах различного масштаба.
Так при планировании экспериментов на МГД-генераторе "'Памир-Н©1' определена оптимальная длина электродной зоны, которая, могла увеличиваться до ; .З.'Л. Для рекомендованных значений L.Q=1.2я, 8^=3, Щ^Зл'.Оя в пуске Х6 получены максимальные энергетические характеристики (Ъ'в~8.9МБЯ).
Планирование первого эксперимента на импульсном МГД-генораторе с
CMC "Севвр-М" потребовало выбора индукции магнитного /.у;-.. ..тины электродной зоны и сопротивления нагрузки. Проведечнч« inc«i-f« позволили определить названные параметры. Эксперимента v-w-: тока "и напряжения хорошо согласуются с предсказанными величинами, для определения которых использовались r качестве независимых кара метров только давление в Ш и приэлектроднсв падение потенциала.
Разработанные математические модели позволили построить приближенную теорию те£мпчоской эрозии щюмщжзнных стеной РТ, которая требует опродолония параметров двухфазного потокаs распределение плотности потока частиц и углов их выпадения на с-енки, коэффициент» теплоотдачи и плотности теплового потока в зависимости ..-т темпер^-у ры и шероховатости стенок, тепловых полой в стенке >гр:: наличии отсутствии пленки конденсированной фазы. Показано, что ¿,&cv: он юс-значение глубины (5Лжл) термического разрушения керамики изоляционной стешш ГТ МГД-генератора "Памир-1 -4/8" хорошо согласуется hj меренным значет:ем (5.Сиш).
В разделе 4.5 анализируются энергетические характеристику I.U'il-генератсров в схеме с импульсным термоядерным ШгЖШГ^"- Покя?ан?. что сверхзвуковой фарадеевский МРД-гопоратор со сплошными алоктрс-дз ми, использующий в качестве рабочего тела пары воды, арг-с;;, г^ллй •• присадкой калия и литий,может Обеспечить в схема с импульсным термоядерным реактором эффективность преобразования анергии на уровне 6Г"
3.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1 .Разработана квазиоднсмерная теория одно- и двухфе.зш?:-. ^чипйй равновесной плазмы в сверхзвуковых МГД-генераторах, которая является эффективным методом и повышает точность расчета импульсных МГД-генн-рчтеров до ~1<Ж (в области Н>1).
2.В рамках системного подхода создан комплекс математические моделей, алгоритмов и Ц программ с различным уровнен (от 1Р до ЗГ/Г> пространственно-временного описания нелинейных ' газодинамических, электро- и теплофкзическнх процессов в сверхзвуковых МГД-гонера-горах на равновесной одно- и двухфазной плазме в условиях сильного МГД-взг-имодействия.
3.Призлоктродное падение напряжения и пограничные слеп окггывают наибольшее влияние на энергетические характеристики импульсных МГД-генераторов при уровне их мощностей до ~20МВт и могут приводите уменьшению электрической мощности дс -30%. Эффективность прообразе вяния анергии в импульсных МГД-генйр&юрю (V 41.2) с .домил<№'. н*~
налами ограничена прежде псего отрывом пограничного слоя и (или) появлением ударных волн и может достигать Профилирование МГД-ка-налов по условию -устойчивости пограничных слоев может увеличивать к.н.э. на ~ЗОЖ.
4.При нагружениях фарадоевских МГД-тонераторов,приводящих к появлению ударных волн.и отрывных течений, DAX и нагрузочные характери- . стики становятся нелинейными, а мощность импульсных МГД-генераторов уменьшается (до 5Ш) .Сверхзвуковое течение и электрические характеристики оказываются устойчивыми по отношению к возмущениям параметров плазмы достаточно большой ( до ~!СД по давлению и температуре) амплитуды.
5.Сверхзвуковые диагональные /иТД-генераторы имеют ограниченную область допустимого нагружения, выход за которую приводит к течениям с ударными волнами и качественному (в несколько раз) уменьшению * электрической мощности. Возмущения (пульсации) параметров плазмы ко-, нечкой амплитуды усиливаются и размываются вниз по потоку, что указывает на возможность неустойчивой работы диагональных МГД-генерато- : ров.Характерные времена процессов нагружения и релаксации возмущений зависят от типа течения в установившемся режиме и могут изменяться от -2 до -10 времен пролета.
6.В условиях сильного МГД-взаимодействия проявляется динамический гистерезис МГД-течений в каналах, который заключается в реализации различных значений характеристик МГД-генератора в зависимости от скорости и направления изменения, во времени одного из определяющих параметров. Это явление обусловлено различием скоростей распространения газо- и электродинамических возмущений в объеме плазмы и электрической цепи (проводниках) и &ф}юктом дальнодействия.
7.Самовозбуждение фарздеевских МГД-генераторов со сплошными электродами определяется комплексом плазмы аиг,масштабом (расходом), параметрами магнитной системы (aM=B/I, R^, LM) и его условие имеет вид: ^=ciK(u7i-fi/oaL0-ARs-flM>O. Процесс самовозбуждения при нерегулируемой нагрузке является нелинейным и ограничен появлением ударных волн и отрывных течений в МГД-канале, что приводит к стабилизации характеристик самовозбуждающегося МГД-генератора на закритичешш. режимах его работы ( мощность на 30Ж-50Ж меньше максимальной ).
8.В условиях сильного МГД-взаимодействия распределения электрофизических параметров имеют сложную пространственную структуру и нелинейным образом зависят от схемы коммутации проводящих элементов, распределения индукции магнитного поля и режима нагружения импульсц-
ого (,'Гд-генератора» На входе и выходе из МГД-капала образуются вихри тока, а увеличение.напряжения приводит к насыщению тока уточки на диффузор пслэясп.щ- уменьшения электропроводности на выходе из канала. При переходе через косую ударную волну плотность поперечного тока и удельная мощюсть уменьшаются в несколько раз.Оптимальное располо • ж» электродов фарадееьского МГД-гопорнтора характеризуется различными длинам» анода и катода, смещением катода относительно анода вниз по ноте,ну. Для оценки утечек тока рассчитан и затабулирован ко-коэффиционт конценой приточки тока х (Х,л).
9.Взаимодействие потока анизотропно пронодяцой плазмы с магнитным полим приводит к нпрушипи» симметрии ь распридолоьии параметров относительно плоскости ij-0 и нулшюйпому развитию поперечных ниодио-родностой параметров потока.Вдоль электродов устанавливаются асимметричные и (или) волнообразные ('масштаб 1-2 калибра) . распрэдиЛогшя параметров. При превышении в "среднем" давления на выходе из МГД-канала его значения на ьходо на нижнем краю одного из электродов начинает образовываться ьолшг сжатия,"которая по море увеличения МГД-ьза-шодоЛстьия смещается к другому элоЛтроду и вверх по потоку; а затем трансформируется в косую ударную волну. Ко предельное' положение (1-2 калибра от входа) соответствует режиму короткого замыкания.
10.При дьух'Фазннх течениях в сверхзвуковых МГД-генераторах спектр жидких частиц й-фазц Л1гО^ вследствие' • коагуляции, смотается в сторону больших размеров ( для d^- от ému до 10-20шнм ), а их рост ограничен дроблением и не превышает ЗОянм. Установлено,что К;.ГД-ьзаи-модойстьио позволяет осуществлять объемное воздействие на частицы /(-фазы в потоке электропроводного газа, которая участвует и вносит заметный (20%-401) вклад в процесс преобразовании энергии.При формировании двухфазного течения происходит осевая фокусировка частиц К-фазы и образование достаточно толстых (-10% от поперечного размера) пристенных слоев газа. Характеристики и область выпадения частиц К-фазы на стенку зависят от параметров газовой фазы, профилей до-, транс- и сверхзвуковой частей сопла и канала, а влияние МГД-взаимодействия оказывается незначительным «РОИ). Показано,что оптимальный профиль сопла должен иметь предельно короткую и крутую дозвуковую часть, фокусирующий трансзвуковой участок.плавно сопрягающийся с удлинённой сверхзвуковой частью.
11.Структура и закономерности развития турбулентных пограничных сдоев на электродных и изоляционных стенках линейных каналов импульсных МГД-генераторов отличаются качественно, что обусловлено рьзлич-
ними самосогласованными распределэ! мяни покдериоторнах сил и дюуло-вэ тепла.Увеличение МГд-тормо5К*ния потока до некоторого критического значения (по скорости би~20%) приводит к отрыву пограничного слоя ка электроде, .стабилизации которого способствует уменьшение шероховатости ( к ф. Пш) и температуры поверхности стенок,а также его отсос.
с * *
Тепловой поток в стенку.джэулево тепло и падение напряжения в пограничном слое нелинейно зависят от температуры электрода и ей уменьшение может привести к переходу диффузного розкдаа протекания тока в микродуговой. Пограничный слой на изоляционной стенке НГД-кандла является Устойчивым я приводит к уменьшению генерируемого б объеме канала тока на величину -10%.
1£.Р> одно- и двумерной постановках рензны задачи о нестащюнар-ном сопряженном тенлообм&но в ГТ импульсных МГД-генараторов. Показано, что характерные значения времени нагрева поверхностей стенок зависят от свойств их материалов, структуры, состояния поверхности, плотности теплового потока и при "2000Н находятся в интервале ?с-4с. Температуры и времена термали5.эцга1 впутрэнних слоев электродных и изоляционных стенок отличаются качественно и на порядок и более превышают зремя импульса. Расчетная скорость термическогчэ разрушения керамических стенок фарадоовских МГД-капалов составляет "0.2м/с,что ограничивает их ресурс величиной ~1д0с.
13 >Ъ результате прикладных, исследований разработан пркнцчп (схема) расчетного проектирования сверхзвуковых МГД-генераторов, определены оптимальные параметры и технический облик импульсного МГД-гене-ратора на ТПТ "Союз". Показг/Ьо.что импульсная МГД-установка на основе самовозОувдавдегося МГД-геноратора на ТПТ (Т~40СХЖ) элоктричоской мощностью в нагрузке ~100,4Вт > может иметь в н$>"хлаждаемом варианте удельные характеристики на уровне т]н<*18%, МЦк/кг, Ьа/Ша.
что в 1.5 раза лучше достигнутых.
ОСНОВНЫЕ" ПУБЛИКАЦИИ
1.Бреев В.В., Губарев А.В., Панчанко В.П.. Сверхзвуковые МРД-генера-торы. И.: Экэргоиздйт, 1988, 240с.
2.Панчепко В.П. Квазиодномерннй анализ и программа расчета течения в канале МГД-гэнэратора с учетом развития турбулентного пограничного слоя. М.: Препринт ИЛЗ-2113, 1971,А1с.
3.Брэез В.В,, Панченко В,11, Квазиодномерный метод расчета №Д-геяе--ротора в приближении пограничного слоя. Изв.АН СССР.'МЖГ, 1974, и, 0.139-145.
4.У1погга(Зо7& Гт.Н., БоеасЫ? К.У., ПогоХета Ь.А.,' ЪппЗл Л.Ь.,
Panchenko V.P. Analysis of Experiments! Investigations ol tc--Pulse HHD Generator "Pamir-1PE". Proo.lüth 1С-MHD, India, Dec. 4--»:, 1989, Vol.1, pp.VII.10-VII.18.
5.Головин- А.П., Догадаев P.B., Панченко В.П., Якушев Л.А. Устойчивость сверхзвукового течения в каналах при сильном МГД тормокении и отсоса пограничного слоя. Proс. 9th 10 MHD.Tsukuba,Japan, 1986. Vol.1, pp.205-21 б.
6.Виноградова Г.Н., Панченко В,П. Численное исследование нестационарных процессов в фарадеевском МГД-генераторе. ТВТ, 1981, т.19, ли, с.164-171.
7.Виноградова Г.Н., Панченко В.П. Влияние возмущений на устойчивость течения и характеристики фарадеевского МГД-теноратора.ТВТ. 1981, т.19, ji2, с ,407-414.
8.Виноградова Г.Н., Губарев A.B., Панченко В.II. О работе МГД-генора-тора диагонального типа на нерасчетных режимах. ТВТ, 198'"/ .т.2d, J»?, с. 383-388.
О.Губарев A.B., Панченко В.П., Рикенглаз U.M., Холцевникова Е.К, Развитие пограничных слоев ь сверхзвуковых МГЦ-генераторах. Изв.АН СССР,ЫЖГ, 1990,№,с.35-41.
10.Панченко В.П., Рнкенглаз М.М., Холщевникова Е.К.
Численное моделирование пограничных слоев в сверхзвуковые МГЦ-генераторах. М.: Препринт ИАЗ-5236, 19Э0, 37с.
И.Глазунов А.А, Горяиков Г.М., Кувшинов Н.К., Панчекко H.H. Расчет трехмерного двухфазного течения в сверхзвуковых МГД-гене раторах. Тезисы доклада на III Всесоюз. школе-семинаре по кинетике, хим. и магн. газодинамике.НИИ ГШ при ТГУ Томск,1990,с. 103-11?
12.Vln0grad0Ya G.H., Gubarev A.V.. Lunin A.L., Panchenko V.P.
at al. Computer Modelling ot One- and Two-phase Plows in Supersonic iflffi Generators. Proc.lOth 1С MHB,India.1989,Vol.1, pp.VII.1i9-VII.26.
13.Васенин U.M., Глазунов A.A., Губарев A.B., Панченко О.П. и др. Метод и комплекс программ "КАНАЛ" расчета одно- и двухфазных те • чений с сверхзвуковых МГД-генераторах. М.:Препринт МАЭ-5014, 1990, 45с.
14.Головиз1ШН В.М., Лунин А.J1., Панченко В,П., Чуданов В.В. Численное моделирование электрических полей и токов в каналах кондукционшх МГД-генераторов. Н.:Препринт ИАЭ-5132, 1990, 18с.
15.Бреев В.В., Губарев A.B., Панченко В.П. Магнитогидродинамическиа генераторы.ВИНИТИ,"Итоги науки и техники",1978,т.4,144с.
4Ь '
16.Dogadaev R.V., Panchenko V.P. et al. The Pulsed Supersonic MHD .Generator with Enhanced Energy Characteristics. Proc.10th 1С MHD,
India, 1989, .Vol.1, pp.VII. 1 -VII.9.
17.Бураков В.А., Бутов В.Г., Панченко В.П. и др. Исследование эрозии изоляционных стенок импульсного МГД-генератора. Proc.11th 10 MHD, Beijing,China, 1992,Vol.2,pp.524-531; TBT,I993,t.33,JS1 ,с. 121-128.
18.Бреев В.В., Панченко В.П., Чарнуха В.В. Исследование эф£»ктивнос-ти фарадеевского МГД-гонератора в схеме с термоядерным реактором. ТВТ, 1977, т.15, №3,0.879-007.
19.Бреев В.В., Панченко В.П., Чернуха В.В. К вопросу об эффективности импульсного фарадеевского МГД-генератора в схеме с термоядерным реактором. ТВТ, 1977, т.15, Лб, с.1321-1323.
20.Волков Ю.М., Малюта Д.Д., Панченко В.П. Влияние пограничных слоев на электрические характеристики МГД-генератора. М.: Препринт ИАЭ-2049, 1970,28с.
21.Бутов В.Г., Лунин А.Л., Панченко В.П. и др. Численное моделирование пространственных двухфазных течений в сверхзвуковых МГД-гене-раторах. М.:Препринт ИАЭ-5267, 1990, 52с.
22.Виноградова Г.Н., Губарев А.В., Панченко П.П., Лаптев С.А. О динамическом гистерезисе магпитогидродинамических течений в каналах. ТВТ,1983,Т.21,*б,с.1139-1144.
23.Виноградова Г.Н., Губарев А.В., Панченко В.Я. О переменных режимах работы сверхзвукового МГД-генератора диагонального типа. Proc. 9th 1С MHD,Tsukuba,Japan,1986,vol.3,pp. 1159-1168.
24.Бреев В.В., Виноградова Г.Н..Панченко В.П. и др. Динамический гистерезис нестационарных магнитогазодинамичоских течений в каналах.Proc.8th 1С MHD,Moscow,USSR,1983,Vol.5,pp.81-88.
25.Баранов В.Ю., Малюта Д.Д., Панченко В.П., Улшшч Ф.Р. Качественный анализ эффективности МГД-преобразованил энергии. ТВТ, 1973, т.11 ,й1, с. 167-173.
26.Бреев В.В., Губарев А.В., Панченко В.П. О влиянии турбулентного пограничного слоя, на характеристики фарадеевского МГД-генератора со сплошными электродами. Магнитная гидродинамика, 1976, J52, с.91-99.,.М.: Препринт ИАЭ-2262, 1972, 16с.
27.Бреев В.В., Губарев А.В., Лаптев С.А., Панченко В.Г1. Переходные процессы в цепи нагрузки самовозбуждащегося МГД-генератора и оптимизация его параметров.Proc. 8th 1С MHD, Moscow, USSR, 1983, Vol.5, pp.98-103.
28.Бреев В.В., Колядаи 1Ы.'., Панченко Б.П. Расчет электромагнитных
параметров магнитных систем с прямоугольными катушками. М.: Препринт ИАО-1716, 1968,30с.
29.Бреев В.В..Губарев А.В., Лебедев В.В., Ианчеако В.П. К расчету оптимального МГД-геноратора.Препринт МАЭ-2389,1974,19с.
30.Гомозов В.А., Матвеенко 3.1!., Панченко В.П., Шурыгнна Д.С. Экспериментальное исследование характеристик конденсированной фазы в рабочем теле импульсного МГД-генератора. ТИТ, 1992, т.30,
с.1006-1012; Ргос. 11th 1С MUD,Beijing,China,1992,vol.2,pp.514-518.
31.Велихов Е.П., Догадаев P.В., Колядин H.M., Матиоеюсо О.Г., Панченко В.П., Полулях Е.П., Якушев А.А. Экспериментальная (ОД-установка со сверхпроводящим магнитом "Север-М". Ргос.11th 1С MHD, Beijing, China, 1992, vol.2,pp.512-523; Доклада PAH, 1992, t.32G.JM.
32.Breev V.V., Vellkhov E.P., Panchenito V.P. et al. Проблемы создания оптимальных кондукциошшх МГД -генераторов для термоядерных
■электростанций. Ргос. 7th 1С MHD, 1975, USA, vol.V, pp.155-168.
33.PanchenKo V.P. Pulsed MHD Power J'J ant. Proo.lOth 1С MHD, India, 1989,vol.IV, pp.215-218.
34.Бреев В.В., ПенчешсоВ.П. Оценка характеристик нестационарного пограничного слоя на пластине. Изв.АН СССР,МЖГ,1985, Mi, с.176-179.
В.П.Панченко
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ИМПУЛЬСНЫХ МГД—ГЕНЕРАТОРАХ
Автореферат
Подписано к печати 28.04.93 Формат 60x64/16
Печать офсетная Уч.-изд.л. 3-0 Усл.печ.л. 2,79
Тираж 100 экз. Заказ В 457
АП "Шанс". 127412, Москва, Ижорская ул., 13/19
