МГД-модели физических процессов в плазменных ускорителях

• Автор: Козлов, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 273 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Объект исследования и актуальность темы. Диссертация посвящена развитию моделей магнитной газодинамики и исследованиям неравновесных процессов на фронте ионизации, высокоскоростных трансзвуковых потоков низкотемпературной плазмы, компрессионных течений плазмы и динамики ионов примесей в коаксиальных плазменных ускорителях (КПУ), магнитоплазменных компрессорах (МПК) и квазистационарных сильноточных плазменных ускорителях (КСПУ), предложенных А.И. Морозовым [1-14]. Представлены также разработанные автором теоретический подход в изучении процессов на фронте ионизации и новое направление исследований динамики потоков плазмы в КСПУ при наличии продольного магнитного поля.
В настоящее время исследования, связанные с плазмой, позволяют не только прийти к более глубокому пониманию природных явлений, но и находят все более широкое применение в различных сферах человеческой деятельности. В будущем многие проблемы цивилизации найдут свое решение именно в области исследований четвертого состояния материи.
Менее чем за сто лет, начиная с исследований И. Лэнгмюра и Л. Тонкса, которые в 1929 году ввели понятие плазмы, работ Л.Д. Ландау и A.A. Власова в 30-е годы, монографии основоположника магнитной газодинамики X. Альфвена [15], произошло становление области науки, охватывающей широкий круг экспериментальных, теоретических и численных исследований плазменного состояния вещества. Наиболее существенный прогресс в исследованиях плазмы наблюдался на протяжении последних 50 лет. Речь идет не только о разработках новых источников энергии, в частности, на основе управляемого термоядерного синтеза (УТС) и новых способов движения с помощью плазменных двигателей. Значительный прогресс достигнут в реализации различных плазменных технологий и бытовых приложений, а также в астрофизических исследованиях, включая процессы в магнитосфере Земли и на Солнце. Мировая научная литература представлена целым рядом

монографий и сборников, относящихся к исследованиям в области физики плазмы, физической кинетики, магнитной газодинамики, как области механики сплошных сред, и моделированию разнообразных плазменных процессов (см., например, [1,10-59]). “Энциклопедия низкотемпературной плазмы” под редакцией В.Е. Фортова [59] содержит на данный момент наиболее полную и разностороннюю информацию о плазменном состоянии вещества. В данном издании отражены также предшествующие исследования процессов в КСПУ.
Простейший коаксиальный плазменный ускоритель (см., например, [1-2,12-14,60]) схематично состоит из двух коаксиальных электродов (см. рис. 1), подсоединенных к соответствующей электрической цепи. На вход системы непрерывно подается газ, который ионизуется в межэлектродном промежутке. Между электродами в плазме протекает ток ), имеющий преимущественно радиальное направление. В свою очередь электрический ток, протекающий в осевом направление по внутреннему электроду, порождает азимутальное
магнитное поле Нф. За счет силы Ампера -[ьн] плазма ускоряется вдоль оси

системы. Геометрия канала ускорителя, определяемая, в том числе, с помощью двумерных аналитических моделей, представляет собой сопло. Аналогично газодинамическому соплу в канале плазменного ускорителя при правильной организации процесса реализуется трансзвуковое течение так, что в средней наиболее узкой части канала происходит переход скорости потока через скорость быстрой магнитозвуковой волны.
Рис. 1. Механизм ускорения плазмы в КПУ с азимутальным магнитным полем

Магнитоплазменные компрессоры (см., например, [1,3-4,12-14,61-62]) отличаются от коаксиальных плазменных ускорителей в основном геометрией электродов, обеспечивающих целенаправленное схождение плазменного потока на ось системы и формирование области компрессии на выходе из ускорителя.
Несколько малых коаксиальных плазменных ускорителей могут быть использованы в качестве первой ступени большой ускорительной системы КСПУ (см., например, [1,5-9,13,63-70]). В первой ступени осуществляется ионизация и предварительное ускорение плазмы. Вторая ступень представляет собой большой коаксиальный плазменный ускоритель, подсоединенный к независимой электрической цепи (см. рис. 2). Двухступенчатая схема КСПУ предполагает непрерывную подачу плазмы на входе второй ступени или основного канала ускорителя. В экспериментальных исследованиях КСПУ и МПК (см., например, [1,7-9,61-79]) отмечалась высокая степень устойчивости и азимутальной симметризации потоков низкотемпературной плазмы. Во всех системах температура не превышает 10 эВ за исключением зоны компрессии.
Рис. 2. Двухступенчатая схема КСПУ: I - первая ступень, ВИК и АПК -входные и анодные ионизационные камеры, ДрК - дрейфовый канал,
II - вторая ступень, ТА - анодный трансформер, ТК - катодный трансформер
В конце 80-х, начале 90-х годов в рамках общесоюзной государственной программы в нескольких научных центрах под руководством академика А.П. Александрова и профессора А.И. Морозова были созданы высокотехнологичные экспериментальные базы и разработаны КСПУ различных модификаций. В настоящее время, несмотря на скромное
ВИК АИК ТК ТА

слабоионизованного газа к плазме с учётом кинетики ионизации и рекомбинации. Соответствующие коэффициенты ионизации и рекомбинации определяются в рамках модифицированного диффузионного приближения для известных уровней энергетического пространства атома [36,54].
В данной главе представлены три указанные модели, включая постановку задачи и результаты численных исследований. Поскольку газ и образующаяся плазма достаточно плотные, фронт ионизации относится к объектам исследования механики сплошной среды.
1.1. МГД-модель динамики трёхкомпонентной среды
В основе модели течений ионизующегося газа лежат уравнения переноса трёхкомпонентной среды [23], состоящей из атомов, электронов и ионов, а также уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Учитывая, что характерные скорости потоков V «с, можно пренебречь током смещения 1 ЭЕ тт Ал. 1ЭЕ _
в уравнении го/ Н = —М--------------------------. Поскольку те«гп1=та=т,
с Э / с с д /
инерцией электронов те С-~с’- также пренебрегаем. Тогда имеем следующую

систему уравнений:
+ сИу па Уа = Гд
(1.1а)
(1.16)

— + сИу пе Уе = Ге
(1.1в)

(1.2а)
(1.26)