Численное моделирование нестационарного магнитогазодинамического процесса преобразования тепловой энергии в электроэнергию в неоднородном газоплазменном потоке

• Автор: Лобасова, Марина Спартаковна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 137 с.

1 Исследования МГД метода преобразования энергии в неоднородных газо-плазменных потоках
1.1 Обзор возможных приложений магнитогидродинамических методов преобразования энергии
1.2 Эффект Т-слоя
1.3 Исследования неравновесных процессов в плазме инертного газа
1.4 Концепция МГД-генератора с неоднородным неравновесным потоком инертного газа
1.5 Методы расчета газодинамических течений с разрывами
1.6 Постановка физической задачи
2 Одномерная численная модель МГД-взаимодействия неравновесной плазменной области с потоком чистого инертного газа
2.1 Качественное описание физических процессов в неоднородном потоке инертного газа при МГД преобразовании энергии
2.2 Система уравнений магнитной газодинамики для неравновесной плазменной области
2.3 Ионизационная кинетика аргона
2.4 Алгоритм решения уравнений МГД в движущейся с плазменной областью неинерциальной системе координат
2.5 Методы расчета граничных условий для разных систем координат
2.6 Численные методы решения уравнений ионизационной кинетики
2.7 Тестирование двухшагового метода Лакса-Вендроффа
2.8 Тестирование вычислительного алгоритма на примере решения задачи о формировании равновесной структуры Т-слоя

3 Результаты расчета МГД-преобразования энергии в неоднородных потоках инертных газов
3.1 Расчет МГД-взаимодействия в канале постоянного сечения
для ионизационно-равновесной и релаксирующей плазмы аргона
3.2 Исследование режима «замороженной ионизации» для единичного П-слоя аргона в канале переменного сечения
3.3 Моделирование генераторного режима в плазме инертных газов
3.4 Концепция МГД-генератора с П-слоем
Заключение
Основные обозначения
Литература
ПРИЛОЖЕНИЕ А Метод сглаживания Фурсенко
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Двухшаговый метод Лакса-Вендроффа

Анализ программ по промышленному освоению космического пространства в 21 веке показывает необходимость создания энергоустановок с уровнем мощности более 10 МВт и удельной мощностью более 500 Вт/кг, использующих в качестве первичного источника энергии солнечное излучение. Существующие в настоящее время космические энергоустановки применяют фотоэлементы, удельная мощность которых составляет 30 Вт/кг. Реальная возможность удовлетворить этим требованиям имеется только у МГД-метода прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, такая удельная мощность уже достигнута в импульсном МГД-генераторе типа «Сахалин». В то же время существующие МГД-генераторы разрабатывались для земного применения и по длительности действия или по своим массо-габаритным характеристикам не соответствуют требованиям, предъявляемым к космическим энергоустановкам. Для длительно работающих МГД-генераторов необходимо значительное увеличение интенсивности магнитогидродинамического взаимодействия в рабочем объеме МГД-канала. МГД-генераторы с однородными потоками плазмы из-за нарушений однородности имеют низкие значения адиабатической эффективности. Исследования последних лет по неоднородным газо-плазменным потокам показали, что такие потоки многократно усиливают процесс преобразования энергии при движении слоистой плазменной структуры в поперечном магнитном поле. В то же время МГД-взаимодействие в неоднородных потоках наименее изучено в силу сложности физических явлений, сопровождающих этот процесс. Также отсутствуют адекватные численные методы моделирования неоднородных газо-плазменных течений, взаимодействующих с магнитным полем. Данная работа посвящена численному моделированию нестационарного магнитогазодинамического процесса в неоднородном газо-плазменном потоке и формированию на основе полученных результатов концепции МГД-генератора, пригодного для использования в космической технике.

рых можно предположить квазиодномерное движение жидкости в МГД-канале. Таким образом, в рамках сделанных предположений, можно сформулировать модель одномерной магнитной газодинамики для задач настоящей диссертации. Для рассматриваемой здесь слабоионизованной низкотемпературной плазмы для описания термодинамических параметров можно использовать модель идеального газа. Кроме того, так как решается задача о стабилизированной структуре плазменного сгустка, то погрешность в определении теплоемкости не будет играть существенную роль /101/.
2.2 Система уравнений магнитной газодинамики для неравновесной плазменной области
В предположении невязкого нетеплопроводного газа в канале переменного сечения Т7 = F(x) система уравнений магнитной газодинамики имеет вид/102/:

где соответствующие векторы равны:
(2.2)
'
рр риР ,К£+т) -» ф = риР F(/Jм2 + P) Л “2 риР £ + + — 1 2 Р). -+ '> ф = < /ДГ + Р — с/х ]ЕР

е = ЯТ /(г-1), Р=р-Л-Т.
(2.3)
(2.4)
Уравнения электродинамики в МГД-канале запишем исходя из следующих соображений /25/. Хотя плазма не является однородной, свойства потока рассматриваются как локальные величины, проводимость изотропна. При выборе формы закона Ома и формул для электропроводности считаем,