Исследование турбулентных эффектов и дополнительной вязкости в неравновесной МГД плазме

• Автор: Сафронова, Ольга Николаевна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1996
• Место защиты: Токио
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Аннотация
Основным объектом исследования является сверхзвуковой поток частично ионизованной плазмы инертного газа с небольшой присадкой легко ионизуемого щелочного металла в неравновесном МГД-генераторе дисковой геометрии.
Актуальность исследований в этой области обусловлена высокой плотностью и эффективностью преобразования тепловой энергии в электрическую в неравновесных МГД-генераторах.
При определенных условиях, квази-однородное состояние неравновесной МГД-плазмы может стать неоднородным из-за
развившейся ионизационной неустойчивости. В результате этого характеристики МГД-генератора (коэффициент преобразования энтальпии и изоэнтропическая эффективность) - значительно ухудшаются. Несмотря на большой накопленный теоретический и экспериментальный опыт, проблема подавления ионизационной неустойчивости полностью не решена.
Целью работы является исследования:
(1) влияния турбулентных флуктуаций, имеющих
газодинамическую природу и связанных со сверхзвуковым режимом течения плазмы в канале МГД-генератора, на
развитие ионизационных неоднородностей;
(2) явления дополнительной МГД-вязкости, обусловленной наличием ионизационных неоднородностей, и совместного влияния газодинамической турбулентности и ионизационной неустойчивости на характеристики неравновесного МГД-генератора
Научная новизна: В настоящей работе впервые анализируется
влияние газодинамической турбулентности на развитие ионизационной неустойчивости. Начиная с ранних, работ в области неравновесной МГД-плазмы, ионизационная неустойчивость
рассматривалась как самостоятельное явление, не зависящее от газодинамической турбулентности. На этой основе, в частности, была построена концепция полной ионизации присадки, как
необходимого и достаточного условия поддержания квази-однородного состояния неравновесной МГД плазмы. Однако, несмотря на все попытки реализовать это условие, плазма в экспериментах (Токийский технологический институт, установка ЕиЛ-1) продолжает оставаться ионизационно неоднородной.
Анализ характерных временных и пространственных масштабов газодинамических турбулентных вихрей и ионизационных неоднородностей; и, оценки влияния изменения скорости газа внутри крупных турбулентных вихрей на локальное значение температуры электронов показали, что следует ожидать развития ионизационной неустойчивости в сверхзвуковых неравновесных МГД-генераторах всегда, поскольку реализовать в них условие полной ионизации присадки в каждой точке канала практически невозможно из-за турбулентного режима течения. Таким образом, необходим пересмотр положений концепции полной ионизации присадки, как необходимого и достаточного условия обеспечения однородного состояния неравновесной МГД плазмы.
Показано, что развитая ионизационная неустойчивость приводит к появлению существенной дополнительной МГД-вязкости, что проявляет себя в дополнительном внутреннем торможении потока и снижении изоэнтропической эффективности. При этом, отмечено, что даже если ионизационная неустойчивость не оказывает значительного влияния на вольт-амперную характеристику, что является известным фактом для области низких значений сопротивления внешней нагрузки, тем не менее характеристики неравновесного МГД-генератора в целом все таки ухудшаются из-за развития дополнительной вязкости.
Практическая ценность: Полученные в работе результаты
относительно влияния газодинамической турбулентности на процесс развития ионизационной неустойчивости, и дополнительной МГД-вязкости, обусловленной ионизационными неоднородностями в канале генератора, могут быть полезны при проведении экспериментальных исследований, оптимизации и проектировании каналов неравновесных МГД-генераторов.

Содержание
1.Введение (обзор литературы)
1.1. Основные направления и результаты исследования в области неравновесных МГД-генераторов
1.2. Турбулентный поток неравновесной МГД-плазмы
1.3. Формулировка основных целей работы
2. Турбулентный режим течения неравновесной
МГД-плазмы
2.1. Неравновесный холловский МГД-генератор
2.2. Качественная схема развитой турбулентности
2.3. Влияние турбулентности на развитие ионизационной неустойчивости
2.4. Взаимодействие между газодинамическими и электродинамическими флуктуациями. Дополнительная МГД- вязкость
3. Математическая модель
3.1. Модель турбулентного потока
3.1.1. Модель численной турбулентной вязкости для вихрей малого пространственного масштаба
3.1.2. Энергетический спектр пульсаций и численный коэффициент турбулентной диффузии D
3.1.3. Численные эксперименты
3.2. Система основных МГД-уравнений с учетом
турбулентных эффектов
3.2.1. Начальные и граничные условия
4. Численная схема
4.1. Flux Corrected Transport (FCT) - метод

Рис.3.3. Серия случайных функций, у'(гД) , и их осредненных
по большому временному интервалу значений, у'(г,1:) , г-ой компоненты скорости газа.