Физические процессы в кондукционных МГД-преобразователях на пузырьковом рабочем теле

• Автор: Васильев, Анатолий Павлович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 310 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Течения двухфазных потоков в поле электромагнитных сил, а также сопровождающие их процессы теплопереноса имеют не только большое научное значение, но и широкое техническое применение в энергетике, металлургии, технологиях [19,20,24,28,29,78,86,104,108,118,129,135,143]. Достаточно отметить технологические процессы в металлургической промышленности, рабочие процессы в возможных МГД - движителях на морской воде, новые технологии в гал-лургической промышленности, методы очистки воды в электрофлотаторах и др. Кроме того, проведенное исследование показало, что пузырьковые потоки позволяют создать совершенно новый класс машин: МГД - компрессоры, МГД - холодильные машины и тепловые МГД - насосы для систем отопления жилых помещений. Пузырьковые жидкометаллические потоки позволяют осуществить прямое преобразование энергии. Гидродинамика двухфазных пузырьковых потоков является научным базисом для рационального проектирования указанных классов МГД - преобразователей.
Однако физические процессы в МГД - преобразователях с пузырьковыми потоками в качестве рабочего тела изучены недостаточно. Основной причиной этого является более низкая их эффективность по сравнению с плазменными и жидкометаллическими МГД - устройствами, обусловленная меньшей электропроводностью и, в связи с этим, отсутствие интереса исследователей к данной проблеме.
Эффективность МГД - преобразователей на электролитах можно существенно увеличить и довести до уровня, представляющего практический интерес, лишь при использовании сверхпроводящих магнитных систем.
Следует отметить, что в настоящее время сверхпроводящие магниты больших объемов являются дорогостоящими сооружениями и их применение требует экономического обоснования.
Успехи в развитии техники сверхпроводящих магнитных систем [20, 29,163,176] позволяют надеяться, что в скором времени этот недостаток будет преодолен и появится реальная возможность использования кондукционных МГД - преобразователей в тех областях техники, где желаемый эффект не может быть достигнут традиционными методами.
Одной из удачных областей возможного применения МГД - преобразователей на электролитах в качестве рабочего тела является морская энергетика.
В 1953 году заслуженным изобретателем России (СССР) А.Пресняковым была высказана идея использования кондукционного МГД - насоса в качестве судового движителя [1]. В настоящее время в связи с тем, что развитие атомной энергетики делает реальным получение больших мощностей, преобразование которых в тяговую мощность судна традиционными методами наталкивается на серьезные технические трудности, интерес исследователей к МГД - движителям вновь возрос.
Следует подчеркнуть, что приоритет в области разработок МГД - движителей принадлежит нашей стране. Это обстоятельство важно, т.к. некоторые зарубежные авторы [168] приписывают приоритет американцу В.А.Райсу, который лишь только в 1961 году получил патент на МГД - движитель [173].
После предложений А.Преснякова [1] и В.Райса [173] в печати стали появляться статьи, посвященные различным аспектам МГД - движителей кондукционного и индукционного типов с внешним и внутренним магнитными полями.
Первой по времени работой расчетного характера по кондукционным МГД - движителям каналового типа была статья американца Л.Р.А.Дороха [162], в которой в гидравлическом приближении без учета процессов электролиза морской воды и концевых эффектов в МГД - канале были получены зависимости КПД от скорости перемещения подводной лодки для различных значений индукции магнитного поля. Затем выходит статья С.Вэя и С.Девлина [177], а годом позже на седьмом симпозиуме по судовой гидродинамике Е.Реслер сделал доклад по кон-дукционному МГД - движителю каналового типа [172]. Работа носила расчетный характер, и основной ее результат заключался в установлении связи между индукцией магнитного поля и пропульсивным КПД МГД - движителя. Постановка задачи расчета соответствовала работе Р.Дороха. Кроме того, Е.Реслер предложил оригинальную, но трудно реализуемую схему перистальтического МГД - движителя.
В России (СССР) в это же время также проводились исследования по различным аспектам проблемы создания МГД - движителей каналового типа и с внешним полем, в основном закрытые, некоторые результаты которых были позднее опубликованы в книгах [26, 67].
Так, в книге [26] анализируются характеристики кондукционного МГД -движителя с каналом постоянного сечения и каналом постоянного давления, рассматриваются вопросы образования тяги, обсуждаются сверхпроводящие магнитные системы транспортных средств. Гидродинамические расчеты проточной части выполнены в одномерном приближении однофазной морской воды, игнорируются процессы электролиза, не учитываются, хотя и обсуждаются, краевые эффекты в МГД - канале, нет анализа эффективности преобразования энергии от ее электрической формы до механической.
Кондукционные МГД - движители каналового типа с азимутальным магнитным полем изучались В.Г.Степановым [101], предложившим энергетическую установку судна, включающую жидкометаллический МГД - генератор и МГД -ускоритель на морской воде.
Ряд результатов по МГД - движению судна был получен А.П.Барановым [24,25].
Мнения исследователей о преимуществах индукционных и кондукцион-ньгх МГД - движителей разделились. Одни [175] считают, что из-за малой электропроводности морской воды эффективность индукционного движителя не может быть высокой. Других исследователей привлекает простота конструкции этой схемы МГД - движителя, т.к. отпадает необходимость в токовводе, а рабочий процесс протекает без электролиза морской воды. Кроме того, обмен импульсом в этой схеме осуществляется с бесконечной массой воды, поэтому пропульсивный КПД близок к своему предельному значению.
Большие исследования по индукционным МГД - движителям были выполнены в СССР В.И.Яковлевым [148-150, 156-159], не угасал к ним интерес и за рубежом [165,171,179].
В 1966 году С.Вэем в научной лаборатории фирмы «Вестингауз» была построена и испытана модель судна с кондукционным МГД - движителем. Была экспериментально подтверждена возможность создания тяги МГД - движителями, а также сделан вывод, что для практического использования МГД - движителей необходимо переходить на сверхпроводящие магнитные системы [177,179].
В начале 70-х годов центр зарубежного экспериментального исследования и создания МГД - движителей перемещается из США в Японию. Преимущество отдается схемам кондукционных МГД - движителей каналового типа с внешним полем [166,168,174-176]. По мнению авторов работы [175], индукционные МГД -

удельная полная энергия i-й фазы, с, - вектор работы внешних поверхностных ,0, сил в i-й фазе, q( - вектор плотности теплового потока в i-й фазе, Е, - напря-
женность электрического поля, — - субстанциональная производная, of-

тензор поверхностных напряжений в i-й фазе, Р„- интенсивность обмена импульсом между j-й и i-й фазами, J,, - интенсивность перехода массы из j-й фазы в i-ю, t)J( - скорость перехода массы из j-й фазы в i-ю, g - плотность силы тяжести.
К уравнениям (1)-(3) нужно добавить уравнения магнитной гидродинамики в форме законов Ампера, Фарадея и Ома, а также условие соленоидаль-0 ности магнитного поля:
1 ЗВ „ , ч
— rotB( =j/,rotE, = j( = стДЕ,+v, xBf), divB, =0. (4)
Ho dt
В условиях малых магнитных чисел Рейнольдса Rem «1 внешнее магнитное
поле не искажается электрическими токами, поэтому В. =В„ = const. Закон Ома (4)- формально записанный закон для i-й фазы, в левой части которого j° - истинная плотность электрического тока, протекающего в i-й фазе. В дальнейшем одно из уравнений импульсов рассматривается в форме уравнения для смеси в целом. В связи с этим рассмотрим запись формального закона Ома (4) ^ для двухскоростного континуума.
Пусть вначале двухфазная пузырьковая структура с объемным содержанием фаз а |, а 2 и электропроводностями а,, а2 неподвижна в пространстве, тогда закон Ома для каждой компоненты смеси в этих условиях записывается так: jf = а,Е,, j2 = о2Е2, где - истинная плотность электрического тока в i-й фазе. Найдем приведенные к объему смеси плотности токов, осредняя закон Ома по объему смеси
(j, У= 7 =1 Jo.EtdV, (h) = ~ Jj^E2dV =1 fa2E2dV,
V V V V
^ где /j, ^ - приведенные к объему смеси плотности электрического тока. Плот-
ность тока, протекающего через двухфазную среду, определится суммированием токов по фазам
(j) = (j,) + {j2} = 7 J°iExdV +~ Ja2E2dV = a.c^E, + a2cr2E2 = ct^(e),