Содержание к диссертации
Введение
Раздел I Преобразование энергии в задачах магнитной гидродинамики 17
Глава I Модель дискового магнитогидродинамического генератора с Т-слоем 17
1 Введение 17
2. Развитие Т-слоя в канале с электродной вставкой 22
3. Модель МГДГ с плоскими электродами 32
4. Модель МГДГ с вогнутыми электродами 36
5. Поток с Т-слоем как источник мощного оптического излучения 44
6. Измерение потока излучения от Т-слоя 52
7. Развитие Т-слоя в дисковом МГД-канале в потоке плазмы щелочных металлов. Численный эксперимент. 58
8. Течение плазмы натрия в МГД-канале [55, 56] 65
9. Т-слой в потоке плазмы натрия режиме отбора электрической мощности 74
10. Выводы по главе 82
Глава II. Дисковый кондукционный МГД-насос 84
1. Введение в главу. Актуальность изучения процессов генерации потоков проводящей жидкости 84
2. Постановка задачи 89
3. Экспериментальная модель насоса 91
4. Результаты экспериментов 93
5. Внесение модифицирующих нанопорошковых присадок в алюминиевый сплав [76] 98
6. Выводы по главе 108
Глава III. Дисковый МГД-ускоритель плазменных потоков 109
1. Введение к главе 109
2. Экспериментальная установка 122
3 Результаты исследований ускорителя без радиального протока 128
4 Результаты исследований ускорителя c радиальным протоком 134
5. Стенд для исследования модели эндотермического химического реактора с газодинамическим управлением 139
6. Некоторые особенности спектра излучения из потока природного газа на выходе из ускорителя 145
7. Пиролиз природного газа 152
8. Образование покрытия на поверхности, обтекаемой углеводородной плазмой 157
9. Выводы по главе 173
Раздел II. Физико-химические эффекты в высокоэнтальпийных плазменных потоках и при их воздействии на твердую поверхность 176
Глава IV. Воздействие плазменного потока на поверхность твердого тела 176
1. Введение к главе 176
2. Установки и методики экспериментов по воздействию плазменных потоков на твердые поверхности 179
3. Экспериментальные результаты обработки титановых образцов 186
4. Экспериментальные результаты обработки жаростойких материалов 191
5. Выводы по главе 199
Глава V Плазменное управление физико-химическими процессами в сверхзвуковом потоке 201
1. Введение к главе 201
2. Постановка задачи и экспериментальная установка для МГД-управления воздушным сверхзвуковым потоком 207
3. Эксперименты по МГД-взаимодействию потока, ионизованного электронным пучком 216
4. Разработка электронной пушки на эффекте «убегающих электронов» 222
5. Постановка задачи и экспериментальная установка для изучения инициирования горения электронным пучком в покоящемся газе 228
6. Наблюдение инициирования горения электронным пучком в покоящейся водородно – кислородной смеси 232
7. Наблюдение инициирования горения электронным пучком в покоящейся смеси углеводородов и кислорода 235
8. Оценочные модели процессов инициирования горения электронным пучком покоящихся смесей 242
9. Эксперименты по инициированию горения природного газа в воздушном сверхзвуковом потоке 250
10. Эксперименты по инициированию горения природного газа воздействием электронным пучком в модели сверхзвуковой камеры сгорания 260
11. О возможности инициирования горения в сверхзвуковом потоке воздействием высокоэнтальпийного плазменного сгустка 265
12 Выводы по главе: 279
Заключение 280
Список литературы: 283
- Модель МГДГ с вогнутыми электродами
- Результаты исследований ускорителя без радиального протока
- Постановка задачи и экспериментальная установка для МГД-управления воздушным сверхзвуковым потоком
- О возможности инициирования горения в сверхзвуковом потоке воздействием высокоэнтальпийного плазменного сгустка
Введение к работе
Актуальность темы. Изучение движения и физико-химических процессов в электропроводящих газообразных и жидких средах в магнитном поле является одной из основополагающих областей знаний. Это - комплексная область науки, так как сюда входят исследования по астрофизике, термоядерному синтезу, аэродинамике больших скоростей, преобразованию видов энергии и т. д. Здесь следует отметить ряд сформировавшихся и развивающихся направлений: физика высокотемпературной плазмы, физика низкотемпературной плазмы, физико-химическая газодинамика. Для большинства прикладных задач, связанных с течением электропроводных сред в магнитном поле, исторически сложилось общее название - магнитная гидродинамика (МГД), включающее те или иные перечисленные выше направления исследований.
Среди всего многообразия фундаментальных проблем, которые могут быть сформулированы и разрешены в рамках магнитной гидродинамики, есть наиболее актуальные с точки зрения практического применения результатов.
Итак, актуальность темы определяется необходимостью получения новых знаний и разработкой новых методов управления разнообразными механическими и физико-химическими процессами в газах, плазме и жидкостях, которые были бы необходимы как для развития фундаментальной науки, так для разработки перспективных технологий.
Цели исследования.
Исследование МГД-преобразования энергии на модели дискового МГД-генератора (МГДГ) с Т-слоем с рабочими телами плазм благородных газов и натрия.
Изучение дискового кондукционного МГД-насоса для перекачки и разлива расплава цветных металлов с одновременным внесением в него наночастиц с целью повышения эксплуатационных свойств материалов.
Изучение характеристик МГД-ускорителей для исследования процессов химических преобразований в гиперзвуковых плазменных потоках и изучения механических, физических и химических процессов при воздействии таких потоков на поверхность.
Демонстрация возможностей применения разработанных методов для создания перспективных технологий.
Задачи исследования
Разработка и создание оригинальных экспериментальных установок, адекватных сформулированным целям.
Адаптация известных методик измерения и разработка новых методик, изготовление необходимых датчиков.
Организация изучения получаемых образцов в коллективах-соисполнителях.
Сравнение полученных экспериментальных результатов с результатами численных экспериментов, в частности, с целью верификации математических моделей.
Проведение экспериментов с целью изготовления образцов, демонстрирующих новые технологические возможности изучаемых процессов.
Научная новизна. В части работы, посвященной дисковому МГДГ, впервые предложено использование вогнутых электродных вставок, позволившее осуществить практически полный токосъем с генератора, без замыкания части тока помимо нагрузки. Также впервые исследовалась модель дискового МГДГ с Т-слоем, работающего на плазме щелочного металла (натрия), для чего был разработан и изготовлен оригинальный импульсный электроэрозионный источник плазмы натрия с расходом до 1 кг/с.
В части работы, посвященной кондукционному дисковому МГД-насосу, впервые предложен и осуществлен способ внесения нанопорошков в расплав для модификации свойств конструкционных материалов, в частности алюминия и его сплавов. Способ позволяет производить внесение нанодобавок без контакта с воздухом.
Впервые предложена схема и построен дисковый МГД-ускоритель плазмы, продемонстрирована его работоспособность и получен поток сильнонеравновесной плазмы со скоростью до 10 км/с на выходе. С помощью этого ускорителя проведен цикл исследований по пиролизу природного газа. Были обнаружены эффекты нанесения пленок различного состава на твердые поверхности, плазменного травления и сглаживания этих поверхностей в результате их обдува потоками плазмы различного состава, полученными с помощью этого ускорителя.
Впервые предложено применение линейных электродинамических ускорителей плазмы для модификации жаропрочных покрытий поверхностей конструкционных материалов. Продемонстрированы эффекты изменения структуры приповерхностных слоев, в том числе уплотнение и сглаживание жаропрочной защиты лопаток газовых турбин, предварительно нанесенных с помощью плазмотронного напыления.
Впервые экспериментально продемонстрирована возможность МГД-
управления гиперзвуковым воздушным потоком с помощью придания проводимости потоку посредством его облучения электронной пушкой. Предложена конструкция электронной пушки, пригодной для управления потоком, в том числе для инициирования в нем горения.
Научная и практическая значимость. Обнаруженное улучшение электрического контакта между сверхзвуковым потоком плазмы и электродной вставкой, достигаемое за счет придания кривизны её поверхности и организации течения с отражением от поверхности, может быть использовано в МГДГ, в том числе дисковых с Т-слоем.
Разработанный метод внесения наночастиц в расплав и его гомогенизация в центробежном кондукционном МГД-насосе (ЦКН) позволяет получать конструкционные материалы с улучшенными характеристиками, поскольку предложенная схема внесения наноприсадок и гомогенизации расплава позволяет избежать контакта металла с атмосферой, что способствует повышению качества получаемого материала. Разработанные методики и полученные экспериментальные данные позволили верифицировать расчетно-численную модель такого насоса.
Впервые показано, что существуют режимы работы дискового МГД-ускорителя плазменных потоков, при которых реализуется устойчивое ускорение плазмы. Экспериментально получены высокоскоростные потоки сильно неравновесной плазмы различного элементного и химического состава. Продемонстрировано, что с помощью этого уникального инструмента могут изучаться физико-химические процессы как в потоках сильнонеравновесной плазмы, так и на поверхности, обтекаемой таким потоком в режимах, недоступных для других известных устройств. Это
позволяет получать новые фундаментальные данные о физико-химических процессах, протекающих в плазме и при ее взаимодействии с поверхностями. Были получены новые экспериментальные результаты по пиролизу природного газа, по травлению поверхностей и нанесению покрытий различного состава. В перспективе МГД-ускорители могут использоваться в технологических процессах.
Продемонстрировано воздействие плазменных сгустков, получаемых в электродинамических ускорителях плазмы, для улучшения качества и модификации структуры поверхности и приповерхностного слоя материалов, в том числе жаростойких, предварительно покрытых защитным слоем с помощью плазменного напыления. Предложенная методика дает возможность управления свойствами материалов, что имеет как фундаментальное значение для развития материаловедения, так и практическое значение для развития новых технологий. По результатам этой части работы был получен европейский патент на способ модификации напыленного защитного слоя.
Разработка сильноточного газоразрядного широкоапертурного источника электронных потоков, сохраняющего работоспособность при давлении, превышающем 1 кПа, и времени работы порядка сотен микросекунд позволили продемонстрировать возможность управления гиперзвуковым потоком с помощью наложения внешнего магнитного поля. Дальнейшие работы в этом направлении позволят получить новые данные для создания физических и численно-расчетных моделей МГД-взаимодействия потоков, ионизованных электронным пучком. Разработка указанного источника электронных потоков позволило предложить новый подход для объемного инициирования химических реакций, в частности горения. Продолжение работ в этом направлении позволит получить новые данные о кинетике химических реакций и разрабатывать новые технологические процессы с использованием сильноточных широ-коапертурных потоков электронов.
Наиболее существенные научные положения, выдвигаемые на защиту
Впервые обнаруженный эффект существенного увеличения доли тока, протекающего через нагрузку, в модели дискового МГДГ с Т-слоем при сверхзвуковом течении плазмы. Эффект вызван использованием вогнутых электродных вставок, связан с отражением потока от их поверхностей.
Впервые экспериментально продемонстрированная возможность использования потока плазмы щелочного металла в качестве рабочего тела в МГДГ с Т-слоем.
Эффект гомогенизации наноприсадок в расплаве металла в центробежном кон-дукционном МГД-насосе.
Эффект повышения качества путем модификации, в том числе уплотнения, приповерхностного слоя конструкционных материалов посредством воздействия на него плазменными сгустками, полученными в электродинамических ускорителях плазмы.
Принцип генерации и ускорения плазменных потоков плазмы в дисковом МГД-ускорителе.
Схемы технологических процессов - пиролиза природного газа, травления поверхностей, нанесения тонких слоев различного состава, сглаживания поверхностей, основанных на применении высокоэнтальпийных потоков сильно-
неравновесной плазмы, получаемых с помощью разработанного автором дискового МГД-ускорителя плазмы. - Результаты экспериментальных исследований по воздействию электронного пучка на сверхзвуковые потоки газа с целью организации МГД-управления и инициирования химических реакций, в том числе горения.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских научных конференциях:VII Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы, Алма-Ата,1977; VIII Международной конференции по МГД-преобразованию энергии. Москва, 1983 г; IX International Conference on MHD Electrical Power Generation, Tsucuba, 1986; Международном семинаре «Гидродинамика высоких плотностей энергии», Новосибирск, 2003; XII International Conference on the Methods of Aerophysical Reseach ICMAR-2004, Novosibirsk, 2004; 13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies, Capua, Italy, 2005; XV International Conference on MHD Energy Conversion and VI International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, 2005; V Международном совещании по магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях, Москва, 2003; XIII International Conference on the Methods of Aerophysical Reseach ICMAR-2007, Novosibirsk, 2007; 7th International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics, Moscow, 2007; 8th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows 8th ISAIF, Lyon, France, 2007; 38th AIAA Plas-madynamics and Lasers Conference In conjunction with the 16th International Conference on MHD Energy Conference, Miami, FL, 2007; XII Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, Новосибирск, 2008; International Conference Chemistry, Chemical engineering and Biotechnology, Tomsk, Russia, 2006; III Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалам и в перспективных технологиях и медицине», Новосибирск, 2009; 2nd International Conference on Optical Electronic and Electrical Materials (OEEM 2012), Shanghai, China, 2012; I Международной конференциb «Развитие нанотехнологий: задачи международных и региональных научно-образовательных и научно-производственных центров», Барнаул, 2012; V Всероссийской конференции «Взаимодействие высоко-концентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» Новосибирск, 2013; 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS 2013), Munich, 2013; (ASCO-NANOMAT) Vladivostok, 2013; 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), 5th European Conference on Computational Mechanics (ECCM V), 6th European Conference on Computational Fluid Dynamics (ECFD VI) Barselona, 2014; 12th International Symposium on Experimental Computational Aerothermodynamics of Internal Flows, Lerici, Italy, 2015; 30th International Symposium on Shock Waves (ISSW30), Tel-Aviv, Izrael, 2015.
Личный вклад автора. Задача об изучении модели дискового МГДГ с Т-слоем была сформулирована в соавторстве с научным консультантом Кацнельсоном С.С., идея применения вогнутых электродных вставок принадлежит автору. Автор самостоятельно проделал экспериментальную часть исследования модели генератора. Технология изготовления пьезодатчиков давления разработана Фомичевым В.П. В соавторстве с Кацнельсоном С.С. была поставлена задача исследования МГДГ с Т-слоем на плазме (парах) щелочного металла. Автору принадлежит разработка ис-
точника плазмы щелочного металла. Расчетно-теоретическая часть исследования МГДГ с Т-слоем на плазме щелочных металлов была выполнена с использованием программных кодов, предоставленных Кацнельсоном С.С.
Задача о разработке ЦКН для перекачки расплавов металлов и внесения в них наночастиц была сформулирована Кацнельсоном С.С. Экспериментальная часть исследований выполнена автором самостоятельно. Задача о модификации поверхностей обработкой плазменными сгустками, генерируемыми электродинамическими ускорителями, сформулирована Кацнельсоном С.С. Эксперименты, включая модернизацию, разработку и изготовление установок, выполнены автором самостоятельно. Исследование образцов проводилось Сидельниковой О.Н. (ИХТТиМХ) и в лабораториях швейцарского отделения ALSTOM Power.
Задача о разработке и исследовании дискового МГД-ускорителя плазмы сформулирована автором самостоятельно. Оценочный расчет установок и выбор режимов их работы проделаны автором самостоятельно. Планирование экспериментов, в том числе выбор объектов для изучения, и собственно эксперименты проводилось автором самостоятельно. Изучение полученных образцов проводилось в рамках выполнения интеграционных проектов в организациях-соисполнителях (ИФП СО РАН, ИНХ СО РАН, ИК СО РАН).
Автор принимал участие в исследованиях о МГД-управлении гиперзвуковым потоком в части разработки магнитной системы, а также разработки системы ионизации электронным пучком и части измерительных методик. Автор самостоятельно занимался планированием и отладкой экспериментов на импульсной аэродинамической установке с использованием электронной пушки собственной разработки. Эксперименты, в которых был впервые продемонстрирован эффект МГД-управления гиперзвуковым потоком, ионизированным электронным пучком, проводились под руководством автора. Теневые картины получены с помощью прибора Теплера, предоставленного А.А. Павловым. Схема сильноточного широкоапертурного источника электронных потоков предложена автором самостоятельно. Задача об инициировании горения с помощью этого источника сформулирована автором самостоятельно. Часть работ по исследованию собственно источника и изучению процессов инициирования горения проводились совместно с И.А. Головновым.
Текст автореферата согласован с соавторами.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается использованием в экспериментальных исследованиях точных, в большинстве своем цифровых, методов измерения электрических величин, неоднократной калибровкой использовавшихся датчиков собственного изготовления (датчики давления, магнитные зонды, шунты, пояса Роговского и трансформаторы тока). Достоверность результатов обеспечивалась также за счет неоднократного повторения измерений и статистической обработки результатов. Исследования структуры образцов проводились в специализированных лабораториях институтов СО РАН и швейцарского отделения ALSTOM Power.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 282 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 152 наименований. Текстовая часть иллюстрируется 235 рисунками. По теме диссертации получено 2 патента, в том числе европейский, и опубликовано 59 работ, в том числе 19 публикаций в ведущих периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций.
Модель МГДГ с вогнутыми электродами
Известен способ улучшения контакта плазмы с электродами МГД генератора - использование электродов с проводящими штырями с длиной, превышающей толщину холодного приэлектродного слоя. Такие штыри обеспечивают электрический контакт электродов с горячим и хорошо проводящим ядром потока. Результаты экспериментов, приведнные в предыдущем параграфе, показали, что секционирование электродов так же приводит к улучшению электрического контакта плазмы с электродами, что сопровождается прогревом приэлектродного слоя плазмы протекающим током. Очевидно, что существует и обратная связь - прогрев приэлектродного слоя приведт к улучшению электрического контакта. В нашем случае можно воспользоваться тем, что скорость потока сверхзвуковая, а значит, значительного прогрева приэлектродного слоя можно добиться организацией обтекания электродов с торможением потока их поверхностью.
Известно, что при натекании ударной волны на вогнутую поверхность реализуются различные режимы обтекания в зависимости от числа М, начального угла раскрыва и радиуса кривизны поверхности. Имеется обширная литература, где приведены результаты как экспериментальных, так и теоретических исследований обтекания вогнутой поверхности сверхзвуковым потоком. Основной акцент в работах [44-47] сделан на исследовании перехода от одного режима обтекания к другому (регулярное обтекание - маховское и обратно).
В [48] приведены результаты исследований обтекания такой поверхности. В частности, приведена интерферограмма маховского отражения ударной волны в азоте от вогнутой поверхности, на которой наблюдается неширокая приповерхностная область сильно сжатого газа. Очевидно, что газ в этой области имеет температуру значительно более высокую, чем в основном потоке. Этот эффект был использован нами для улучшения электрического контакта плазмы с электродами.
Эксперименты, описанные в этом параграфе, проводились с использованием вставок, эскизно показанных на рис. 12. Угол плоской части возле передней кромки равен 9 , радиус кривизны 340 мм. При обтекании вставки с такой формой поверхности должно иметь место маховское отражение на всем протяжении вставки. Напомним, что в нашем случае температура торможения потока превышает 104 К, поэтому приэлектродный слой может иметь достаточно высокую температуру и проводимость.
Рассмотрим сначала случай сплошных электродов. Электрически вставка со сплошными электродами выполнена аналогично такой же вставке с плоскими поверхностями.
На рис. 13 приведен характерный кадр скоростной киносъемки течения, полученный при B0 = 0,32 Тл. Сравнивая приведенный здесь кадр киносъемки с аналогичными, полученными при обтекании плоских электродов, замечаем, что токовый слой прилегает к поверхности вставки. Токовая привязка располагается в пределах ширины токового слоя, тогда как в случае плоских сплошных электродов токовая привязка значительно отставала от токового слоя, что приводило к искажению формы Т-слоя.
Зависимости токов через электроды и через плазму для различных значений индукции магнитного поля приведены на рис. 14. Цифрами (1), (3), (5) отмечены зависимости величины тока в плазме от времени, полученные при величинах магнитной индукции внешнего поля B0 = 0,64 Тл, 0,32 Тл и 0,16 Тл соответственно. Цифрами (2), (4), (6) – соответствующие зависимости величины токов, протекающих через нагрузку. Заметно повышение эффективности энергосъема по сравнению со случаем сплошных электродов.
По полученным зависимостям I(t) были вычислены, как и для плоских электродов, значения доли тока, протекающей через нагрузку г\ и энергия, рассеянная в нагрузке W. Результаты сведены в таблицу 3:
Сравнивая эти данные с результатами, полученными для плоского клина, видим, что здесь эффективность токосъма значительно выше. Следует отметить так же, что имеется верхний предел величины выделившейся в нагрузке энергии, практически достигавшийся при B0 = 0,48 Тл. Дальнейшее увеличение магнитной индукции поля не приводит к увеличению этой величины.
Подробнее модель МГДГ исследовалась в варианте со вставкой с секционированными электродами и вогнутыми поверхностями. На рис. 15. показан характерный кадр скоростной киносъемки обтекания этой вставки, когда Т-слой находится вблизи выхода из канала. Видно плотное прилегание Т-слоя к поверхности вставки.
Нагрузочные характеристики генератора были получены варьированием величины нагрузки Rн при величинах магнитной индукции внешнего поля B0 = 0,32 Тл и, наоборот, при одном значении Rн = 0,2 Ом и четырх значениях B0. Рассмотрим результаты экспериментов, полученные при фиксированном значении B0 = 0,32 Тл.
Типичные эпюры напряжения на нагрузке показаны на рис. 16 а) и б) для величин нагрузки Rн, равной 0,2 и 2,0 Ома соответственно.
На рисунке указаны номера электродов, считая от центра канала. Сопоставив моменты прихода токового слоя к дальним секциям с началом спада тока через расположенные в начале канала секции, делаем вывод, что ток одновременно протекает более чем по половине секций. При увеличении нагрузки ток замыкается через большее количество электродов, это следует из увеличения длительности импульсов тока с каждой пары электродов. Однако ширина токового слоя, измеренная с помощью магнитных зондов и наблюдаемая на фоторазвертках и зафиксированная с помощью скоростной киносъемки, меньше расстояния между крайними парами электродов, по которым протекает ток, то есть у поверхности вставки наблюдается растекание тока вдоль ее поверхности.
Результаты исследований ускорителя без радиального протока
Исходя из цели исследований - обнаружения эффекта ускорения и ориентировочного определения области его существования, был выбран следующий минимально необходимый набор методик. Ток разряда и напряжение на разрядном промежутке необходимо измерять для определения мощности, вкладываемой в поток. Измерение тока разряда производилось с помощью стандартногошунта 100А/75мВ. Максимальное значение тока в разряде не превышало 5 кА, время разряда - 0,035 с, нагрев шунта не превышал 200. Поэтому погрешность измерения тока, связанная с непостоянством сопротивления шунта, находилась в допустимых пределах: составляла несколько процентов.
Напряжение измерялось с помощью резистивных делителей напряжения, согласованных с измерительными кабелями.
Регистрация тока и напряжения производилась с помощью АЦП, установленных в персональном компьютере (типа PCL812PG или АЦП12/10 с разрешением 12 двоичных разрядов), либо с помощью цифровых запоминающих осциллографов с разрешением 8 двоичных разрядов.
Скорость потока оценивалась косвенно по измерению давления торможения для варианта без радиального протока. Давление торможения потока измерялось с помощью тензодатчика давления, установленного в трубке полного напора. Вход трубки был направлен навстречу силе F . Следует отметить, что, используя это измерение, можно оценить лишь область возможных значений аксиальной скорости, поскольку неизвестна плотность газа в потоке. Но, во всяком случае, можно установить факт ускорения потока.
Прямое измерение скорости в проточном варианте ускорителя было основано на измерении напряжения, индуцированного в потоке проводящего газа при его движении поперек магнитного поля. Скорость потока измерялась с помощью трех электрических зондов, представлявших собой металлические проволоки диаметром 0,3 мм длиной около 15 мм, установленные нормально к стенке канала вне разрядного промежутка. Расположение зондов (9) показано на рис. 84Б. Радиальная составляющая скорости Vr = Ufoc llfoc-B , где vr - радиальная скорость, Uj,c - напряжение между зондами b и с, 1 с - расстояние между зондами в аксиальном направлении, В - магнитная индукция. Аксиальная составляющая скорости VA = Uafo I lab В, где Ua, - напряжение между зондами а и Ь, 1 - расстояние между этими зондами в радиальном направлении. Расстояние между электродами составляло: в радиальном направлении 12,5 мм, в аксиальном направлении 9,5 мм.
Программа экспериментов с ускорителем содержала следующие пункты:
1. измерение тока, напряжений и давления торможения при индукции магнитного поля В = 0 Тл;
2. измерение тока, напряжений и давления торможения при индукции магнитного поля от В = 0,08 Тл до 0,64 Тл при различных начальных давлениях (от 200 до 1500 Па) и напряжениях зарядки батареи конденсаторов (3, 4, 5 кВ);
3. то же, что и п.2, но при установленных перегородках в канале, препятствующих аксиальному движению.
Схема проведения испытаний следующая. После откачки рабочего объема установки до начального давления воздуха р0 заряжалась батарея конденсаторов и включалось магнитное поле. После установления заданного значения магнитной индукции В производился пуск установки и измерительной системы.
Типичные эпюры тока через ускоритель и напряжения на нем представлены на рис. 90. Напряжение в разрядном промежутке практически постоянно. Форма эпюры тока далека от идеальной прямоугольной формы. Не идеальность формы связана с тем, что количество звеньев невелико - всего четыре.
Сглаженные эпюры анодного напряжения для различных величин В представлены на графиках рис. 92. Начальное давление воздуха р0 = 670 Па, напряжение зарядки конденсаторов 3 кВ. Кривые 1 - 4 получены при значениях магнитной индукции В, равных 0, 80, 160 и 240 мТл соответственно. Увеличение магнитной индукции на 80 мТл с каждым шагом приводило к повышению анодного напряжения примерно на 200 В.
Эпюры разрядного тока через ускоритель для различных величин магнитной индукции В, полученных одновременно с соответствующими графиками для Uа, представлены на графиках рис. 93. Видно, что ток с ростом уменьшается не столь заметно, как напряжение. Для максимального значения В = 0,24 Тл при te 27 мс наблюдается обрыв тока, этому соответствует резкий скачок анодного напряжения на графике 4 на рис. 92.
Для оценки влияния эффекта Холла в канале размещались радиально расположенные перегородки, препятствовавшие азимутальному движению газа и исключавшее возникновение UF. Напряжение на разрядном промежутке в этом случае отличалось не более чем на 20% (при 670 Па ) от напряжения Uа без магнитного поля. Следовательно, влияние эффекта Холла было незначительным.
Оценим порядок величины полученной скорости. В одном из опытов магнитная индукция устанавливалась равной 0,16 Тл, расстояние между электродами около 0,1 м, начальное давление воздуха составляло 670 Па. Падение напряжения, связанное с направленным (азимутальным) движением газа, равнялось 80 В. Следовательно, средняя (по радиусу) скорость потока, вычисленная по (3), равнялась 5000 м/с.
Другой способ оценки скорости потока, а также обнаружения факта ускорения - по измерению давления торможения. Зависимость давления торможения от величины магнитного поля для двух значений начального давления р0 : 200 и 400 Па (7) представлены на рис. 94.
Сделаем грубую оценку скорости потока. Оценим порядок величины скорости потока и для измеренных значений давления торможения. Положим, что u « yjp I р , где р - давление торможения, р - плотность газа. Начальная плотность газа составляет порядок 0,24 г/м3 при/?0 = 200 Па и 0,5 г/м3 при/?0 = 400 Па. В канале электрической дуги температура газа может увеличиться до 5 10 103 К, то есть может увеличиться в 30 раз по сравнению с начальной (комнатной) температурой. Предполагая процесс расширения изобарическим, и предположив, что средняя температура по сечению канала увеличится в 10 раз, а плотность газа уменьшится более чем в 10 раз в результате нагрева газа, оценим величину скорости при р= 0,05 бар (5000 Па) для двух значений начального давления. Получим и400« 3000 м/с и и200 4500 м/с.
Постановка задачи и экспериментальная установка для МГД-управления воздушным сверхзвуковым потоком
Упрощенная схема постановки задачи в двухмерном случае приведена на рис. 161. Здесь условно изображено сечение простейшего гиперзвукового воздухозаборника (1) с одним скачком уплотнения, рассчитанный на число Маха М1. Поток натекает слева. При полете с числом Маха М1 присоединенный скачок (а) уплотнения попадает на обечайку воздухозаборника (2). При полете с иным числом М=М2 скачок уплотнения не будет попадать на обечайку воздухозаборника. При уменьшении числа Маха, как показано на рисунке, скачок (б) расположен выше воздухозаборника, часть сжатого потока обтекает его снаружи. Допустим, М1=10, М2=8. Тогда в воздухозаборник в нерасчетном режиме попадает 80% потока. В случае, если мощность двигателя определяется расходом окислителя, его мощность уменьшается на 20%. В обратном случае М2 М1(в) возникают сравнимые потери мощности, связанные с «запиранием» потока. Поэтому для адаптации двигательной установки к скорости полета необходимо изменять либо положение обечайки, либо угол наклона скачка уплотнения.
Для экспериментальной проверки принципиальной возможности МГД-управления гиперзвуковым потоком необходимо иметь установку, включающую в себя, кроме гиперзвуковой аэродинамической трубы, магнитную систему с возможностью создания в рабочей части магнитного поля с максимально возможной индукцией и систему ионизации натекающего потока.
На рис. 162 показана схема импульсной аэродинамической установки изучения процессов магнитогидродинамического управления гиперзвуковым потоком.
Установка состоит из трех основных частей:
1. Электроразрядной ударной трубы, при помощи которой создается поток с требуемыми параметрами.
2. Магнитной системы, создающей постоянное однородное магнитное поле.
3. Электронной пушки, при помощи которой производится ионизация потока.
Электроразрядная ударная труба применена в качестве источника рабочего газа с высокими параметрами торможения, поскольку она позволяет простыми и доступными средствами получать гиперзвуковой поток с широким диапазоном параметров. В качестве толкающего газа используется гелий, в качестве рабочего – воздух. На данной трубе реализован режим сшитой контактной поверхности для увеличения времени существования квазистационарного потока в рабочей части, которое составляет 35 мс. Параметры гиперзвукового потока, создаваемого в экспериментальной части соответствуют условиям полета с числом М = 8 на высотах 15 – 20 км – статическое давление до 10 кПа, температура торможения Т0 от 1000 до 3000К.
Выбор конфигурации и принципа действия магнитной системы определился габаритами и конструкцией стандартной электронной пушки разработки ИЯФ СО РАН, предоставленной нам. Время существования потока позволяло использовать импульсную магнитную систему с питанием от конденсаторной батареи. Однако, конструкция керамического изолятора пушки, а именно, наличие проводящих колец, выравнивающих потенциал, создавало опасность разрушения изолятора в момент включения магнитного поля. Поэтому была использована неохлаждаемая электромагнитная система кратковременного действия. Магнитная система была спроектирована с использованием программы MERMAID [140]. Система позволяет создавать поля не менее 2,5 Тл в области 160 мм диаметром и 150 мм по высоте с однородностью не хуже 10%. Время работы магнитной системы 5 секунд. Разрез магнитной системы показан на рис. 163, на рис. 164 показано распределение магнитного поля и расположение основных элементов установки, находящихся внутри магнитной системы.
По условиям эксперимента необходимо, чтобы электронный пучок имел поперечный к потоку размер не менее 5 см, продольный – более 1 см. Энергия электронов должна быть согласована с плотностью газа. Чем меньше плотность газа, тем ниже должна быть энергия электронов. Так, для давления 1 кПа и температуры порядка 250 К энергия электронов должна быть около 10 – 15 кэВ, тогда пробег электронов будет около 0,1 м, то есть будет согласован с размерами модели. Оценка плотности электронного тока, обеспечивающего минимально допустимую проводимость воздушного потока для указанных условий должна быть не менее 0,1 А/см2. Катод электронной пушки необходимо располагать внутри магнитной системы, для эмитирования электронов вдоль силовых линий поля, вблизи области с максимальной индукцией магнитного поля B.
Эти технические условия создали многочисленные проблемы, с которыми нам пришлось столкнуться.
В качестве электронного эмиттера мы использовали термоэлектронные катоды. Такие катоды выбраны в связи с их работоспособностью в сильном магнитном поле, а так же их принципиальной возможностью обеспечивать высокую плотность электронного тока. Было испытано несколько вариантов устройства электронной пушки. Общая схема пушки приведена на рис. 165.
Электронная пушка имеет откачиваемый до глубокого вакуума (10-1 – 10-2 Па) объем, составленный из металлического корпуса 1, и изолятора 2. Катод 4 может быть прямого накала или с косвенным накалом, как показано на схеме – здесь показан нагреватель катода 3. Выпускное окно пушки с рабочим диаметром 50 мм закрыто алюмоберилиевой фольгой 6 толщиной 0,05мм, которая опирается на решетку 5. Решетка представляет собой диск из алюминия с множеством 6мм отверстий. Прозрачность решетки достигает 60%.
Использование фольгового окна вызывает ряд ограничений на параметры электронного пучка. Ускоряющее напряжение должно быть выше 100 кВ, поскольку электроны при прохождении через такую фольгу теряют около 70 кэВ энергии при энергии на входе 100 кэВ. Большая доля электронов поглощаются фольгой. Поглощение электронов фольгой приводит к ее нагреву. Воздействие импульса электронного тока и теплового излучения катода не должны приводить к нагреву фольги более чем на 200 градусов во избежание ее разрушения. Оценки показывают, что при токе пучка величиной 2А длительность импульса электронного тока не должна заметно превышать 10-4с.
Электронная пушка запитана от семизвенного генератора импульсного напряжения (рис. 166.) с максимальным рабочим напряжением до 140 кВ. Длительность импульса напряжения регулируется в необходимых пределах двумя способами – с помощью подбора нагрузочного резистора или посредством пробоя управляемого разрядника, включенного параллельно пушке.
О возможности инициирования горения в сверхзвуковом потоке воздействием высокоэнтальпийного плазменного сгустка
В IV главе описано применение рельсотронов для модификации поверхностей. В предлагаемом параграфе приводятся результаты работ по инициированию горения топлив в сверхзвуковом потоке с помощью плазменных сгустков, генерируемых рельсотроном.
Экспериментальная часть задачи ставилась следующим образом. В воздушный сверхзвуковой поток с числом М = 3 на выходе из конического сопла, поступающий в канал постоянного сечения, инжектируется природный газ. Вблизи от инжекторов ниже по потоку расположена система инициирования горения - электродинамический ускоритель плазмы (рельсотрон). Ускоритель производит перпендикулярно потоку впрыск плазменного сгустка, имеющего скорость порядка 10 км/с, температуру более 10000 К и давление в несколько десятков МПа. Идея плазменного способа инициирования [134, 136] горения состоит в том, что плазменный сгусток в потоке воздуха и топлива производит перестройку структуры потока.
Одновременно в нем возникают химически активные частицы – атомы, радикалы, ионы и т. д. В результате чего ожидается инициирование реакции горения и связанная с этим перестройка структуры потока, возникновение волн сжатия, повышение локальной температуры и т.п.
На рис. 218 показана схема установки. Рабочая часть расположена в вакуу-мируемом объеме, схематически обозначенном пунктирной линией. К соплу 4 крепится канал постоянного сечения 11, в который инжектируется природный газ через систему инжекции, состоящую из баллона 14 емкостью 1,7 литра с электромагнитным клапаном 13, коллектора с 8 подводящими трубками 12. Сверху к каналу крепится система инициирования горения, состоящая из рельсотрона 15, батареи конденсаторов 16, высоковольтного источника 17 и системы инициирования разряда 18. Канал 11 был выполнен в двух вариантах – квадратного сечения 5050 мм2 с длинной 300 мм, либо цилиндрический с диаметром 57 мм и длинной 500 мм. Каналы имеют одинаковые площади сечения. Первый канал был использован в предварительных пусках, в частности, для визуализации картины взаимодействия плаз менного сгустка со сверхзвуковым потоком
Времена открытия клапанов существенно отличаются. Электромагнитный клапан подачи природного газа открывается за время порядка 15 мс, электродинамический воздушный клапан открывается за время порядка 1 мс. Поэтому клапан подачи природного газа открывается с соответствующим опережением. На рис. 220 показаны типичные временные зависимости давлений Пито в потоках воздуха (1) и природного газа (2). Датчики расположены вблизи сопла и инжекторов соответственно. Клапан подачи природного газа остается открытым в течение отрезка времени порядка нескольких сотен миллисекунд. Воздушный клапан перекрывает поток воздуха через 40 – 100 миллисекунд после открывания вследствие особенностей его конструкции.
Расход природного газа задавался начальным давлением в баллоне 14 (рис. 218). Связь между давлением в баллоне и расходом природного газа определялась в калибровочных экспериментах. В этих экспериментах регистрировалась зависимость давления в баллоне от времени от момента открывания до момента запирания клапана (реально использовались два клапана, открывавшихся одновременно). Используя известные зависимости для адиабатического расширения газа, и фиксируя начальное и конечное давления в баллоне, вычислялся коэффициент, связывающий расход природного газа с начальным давлением в баллоне. На рис. 221 показан график зависимости расхода природного газа от времени для начального давления в баллоне Рщ = 1,15 МПа. Величиной расхода можно управлять, устанавливая различное значение Po„g или используя различное количество клапанов. График рис. 221 получен при использовании двух клапанов. Соотношение расходов природного газа и воздуха (параметр (3) можно изменять примерно 2 раза, меняя время опережения открывания клапанов вплоть примерно до 300 мс.
Расход воздуха измерялся по той же методике. На рис. 222 показана временная зависимость расхода воздуха при начальном давлении 1 MPa. На рис. 223 показан вид экспериментальной части после серии испытаний. На фотографии видно расположение цилиндрического канала, рельсотрона, системы подачи природного газа, точек измерения давлений.
В экспериментах с инициированием горения с помощью рельсового ускорителя регистрировались:
1. Характеристики ускорителя:
a. Общий вид взаимодействия плазменного сгустка со сверхзвуковым потоком, текущим в канале квадратного сечения (рис. 224)
b. Фоторазвертка движения плазменного сгустка внутри канала ускорителя, синхронизованная с током и напряжением питания ускорителя (рис. 225)
c. Спектр излучения плазмы природного газа, интегральный по времени, регистрировался из узкой (с шириной порядка 1 мм) вертикальной области, расположенной на расстоянии 15 мм от конца канала ускорителя. В качестве спектрального прибора использовался спектрограф со скрещенной дисперсией (рис. 226)
2. Характеристики потока в канале для различных начальных условий :
a. фоторазвертки течения
b. спектры излучения вблизи выхода из канала
c. временные зависимости статического давления в нескольких точках
d. давление Пито вблизи выхода из канала
e. временные зависимости интенсивности излучения вблизи выхода из канала