Численное моделирование процессов взаимодействия в канале детонационного МГД-генератора с Т-слоем

• Автор: Деревянко, Виктор Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 151 с. : ил

Оглавление
Введение

1 Постановка проблемы

1.1 Обзор литературы по исследованию МГДгенераторов с Тслоем

1.2 Физическая постановка задачи.

1.3 Математическое моделирование МГДгенераторов с Тслоем . .

1.3.1 Математическая постановка задачи

1.3.2 Обзор методов решения системы уравнений Эйлера .

1.3.3 Обзор методов моделирования радиационного переноса .

1.3.4 Обзор методов моделирования детонационной волны . .

1.3.5 Обзор методов учета реальных свойств газа.

1.4 Общая постановка задачи
2 Вычислительная модель детонационного МГДгенератора
2.1 Газодинамическая модель
2.1.1 Граничные условия
2.2 Энергетическая модель .
2.2.1 Радиационный перенос.
2.2.2 Моделирование взаимодействия Тслоя с магнитным полем .
2.2.3 Моделирование распространения детонационной волны . 4Э
2.2.4 Моделирование инициирования Тслоя
2.3 Расчетные характеристики.
2.4 Термодинамические свойства.
2.5 Вычислительный алгоритм
2.6 Реализация вычислительной модели ДМГДГ.
2.7 Тестирование модели
2.7.1 Тестирование численных методов
2.7.2 Распространение детонационной волны.
2.7.3 Перенос излучения в много групповом приближении .
3 Результаты вычислительных экспериментов
3.1 ДМГДГ низкого давления
3.2 Сравнительный анализ ДМ ГДгенераторов высокого и низкого давления.
3.3 Оптимизация параметров ДМГДГ
3.3.1 Параметры инициирования Тслоя.
3.3.2 Оптимизация течения в канале ДМГДГ.
3.4 Оптимизированный ДМГДГ.
3.5 Оценки проницаемости Тслоя за счет теплопереноса
3.6 Приближенные расчеты для случая реального газа.
3.7 ДМГДГ как источник энергии и тяги на борту ГЛА.
3.8 Экспериментальная проверка вычислительной модели.
Заключение
Список обозначений
Литература


Однако, учитывая сложность эксперимента, необходимость больших материальных затрат и временных ресурсов, основное внимание в разработке МГД-генераторов с Т-слоем уделяется вычислительному моделированию, с помощью которого и были получены основные результаты. Динамика формирования токового слоя и условия его стабилизации исследовались в работе []. Па основе численных расчетов было установлено, что стабилизированная структура Т-слоя не зависит от параметров начального температурного возмущения, а определяется внешними параметрами задачи (величиной магнитного поля, сортом газа, давлением в потоке и т. В работе [] исследовался вопрос о механизмах формирования Т-слоя. Проведенный сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментальных исследований показал, что основными энергетическими механизмами, формирующими Т-слой, являются радиационные потери энергии и джоулева диссипация. При характерных температурах в Т-слое ~ 1 К и давлениях 1 — атм Т-слой ведет себя как объемный излучатель, потери излучения в котором пропорциональны четвертой степени температуры и растут пропорционально увеличению давления. При этом использование инертных газов выгодно из-за меньшей лучеиспускательной способности и большего показателя адиабаты атомарных газов по сравнению с молекулярными, что позволяет повысить степень преобразования энтальпии и снизить затраты на инициирование Т-слоя. Оценки эффективности МГД-генератора с Т-слоем на аргоне получены в работе []. Размер Т-слоя 0. Рассмотрены случаи равновесного и неравновесного Т- слоя. В работе [] представлена теплофизическая модель МГД-генератора с Т-слоем. В модели учитывались потери энергии на трение, конвективный теплообмен и излучение и, интегрально, потери в пограничных, приэлектродных слоях и на ударных волнах. Проведенный аналитический анализ показал, что существуют оптимальные абсолютные размеры МГД-генератора, позволяющие получить максимальную эффективность термодинамического цикла. Зависимость электрического КПД и внутренней эффективности генератора (отношению реального изменения энтальпии к изоэнтроиическому) имеет максимум подлине генератора. Минимальная длина генератора определяется энергетическими затратами на инициирование Т-слоя и потерями энергии, связанными с трением и теплообменом со стенками канала. Увеличение длины генератора означает увеличение объема, в котором необходимо поддерживать стационарное магнитное поле. С увеличением длины генератора выше некоторой критической величины эффективность преобразования энергии вследствие трения и теплообмена со стенками понижается настолько, что дальнейшее увеличение объема магнитного поля становится невыгодным. Согласно расчетам, длина канала не должна превышать ~ характерных размеров Г-слоя. Таким образом, к настоящему времени выявлен ряд проблем МГД-гене-раторов с Т-слоем. Это, прежде всего, большие радиационные потери из Т-слоя, ограничения на размеры канала, проницаемость Т-слоя и проблемы, связанные с инициированием Т-слоев. Объемные радиационные потери из Т-слоя являются главным фактором, ограничивающим мощность МГД-генераторов с Т-слоем. Они определяют предельную мощность генератора, накладывая ограничения на давление в канале, температуру Т-слоя и, как следствие, ограничивают характерный размер стабилизированной структуры Т-слоя. Если исходить из разумного предположения, что размер Т-слоя поперек канала не может превышать его размера вдоль потока, то получается ограничение на ширину канала. Поскольку согласно [] характерный размер ограничивает также длину генератора, то радиационные потери определяют максимальный рабочий объем генератора и энтальпию потока, лимитируя, тем самым, мощность генератора. Расчеты показали, что с учетом вышеприведенных ограничивающих факторов генераторы с Т-слоем на продуктах сгорания не могут иметь мощность выше нескольких сотен киловатт (характерные размеры Т-слоя несколько сантиметров). Генераторы на инертных газах (аргон, гелий) ведут себя несколько лучше, поскольку атомарные газы обладают меньшей лучеиспускательной способностью, чем молекулярные.