Введение к работе
Работа посвящена расчетно-теоретическому исследованию влияния .температурных и электрических флуктуации на характеристики газодинамических течений в электродуговых генераторах низкотемпературной плазмы,а также в некоторых других устройствах с источниками тепла,заряда и завихренности.
Актуальность работы определяется широким практическим приложением в различных областях науки,техники и технологии устройств с интенсивным объемным энерговыделением;электроразрядных систем,плазмо-химических реакторов.камер сгорания,МГД-генераторов и ускорителей и др.В подавляющем большинстве перечисленных систем наблюдаются нестационарные процессы самой различной природы и широкий спектр лульсационных полей,оказывающих значительное воздействие на режимы работы данных устройств.С целью обоснованного прогнозирования их характеристик,выявления воздействия пульсационных полей на параметры систем,а также изыскания возможностей управления этими полями для получения качественно новых и полезных характеристик рассматриваемых устройств необходимы тщательные экспериментальные и теоретические исследования нестационарных процессов в них и в первую очередь - пульсационных полей параметров,вызванных главным образом наличием интенсивных нелинейных источников различной природы.
В настоящее время достаточно полно разработана теория и предложены математические модели для описания процессов в перечисленных выше системах без систематического анализа влияния пульсаций параметров на их локальные и интегральные характеристики.Лишь в весьма ограниченном-числе работ содержатся,в основном,обрывочные и часто противоречивые сведения о, влиянии турбулентности на характеристики того или иного устройства указанного выше класса.Наконец,полностью отсутствуют работы,в которых анализировались бы особенности пульсационных полей,связанные с наличием в системе нелинейных источников различного происхождения,поскольку флуктуации параметров,вызванные действием этих источников.рассматривались до сих пор как "пассивные примеси".не влияющие на газодинамическую турбулентность.
Цель работы - ивыявить особенности,присущие пульсационным полям в условиях действия нелинейных источников,когда приближение пассивной примеси уже несправедливо:2)разработать математические модели про-
цессов в системах с даоулевым тепловыделением с учетом влияния на характеристики электродуговых устройств температурных и электрических флуктуации;3)провести теоретическое исследование воздействия этих флуктуации на термическое и ионизационное равновесие электродуговой плазмы.исследовать на основании данного анализа возможность генерирования неравновесной плазмы;4)проанализировать влияние электрических параметров на эволюцию пульсационных полей заряда и потенциала в электрогазодинамических системах;5)провести теоретический анализ влияния электрических флуктуации на процессы в электродуговой плазме,находящейся во внешних однородных электромагнитных полях;6)цроанализировать спектральные характеристики температуных флуктуации в системах с нелинейными источниками тепла и завихренности.
Научная новизна - впервые получены обоснованные интегральные оценки по влиянию нелинейного тепловыделения на переход ламинарного течения в турбулентное;на основе известных опытных данных выявлены критерии подобия,характеризующие такой переход применительно к течению в длинном цилиндрическом канале с джоулевым тепловыделением.
Впервые строго получены соотношения,связывающие электрические флуктуации с газодинамическими применительно к электродуговым и электрогазодинамическим системам .'вычислены одно- и двухточечные моменты, содержащие электрические флуктуации.
Выдвинута гипотеза возникновения перегревной турбулентности в системах с нелинейным тепловыделением;проведен численный анализ ее влияния на характеристики электродуговой плазмы.
Проведен анализ влияния температурных и электрических флуктуации на термическое и ионизационное равновесие плазмы:выявлены механизмы, позволяющие генерировать неравновесную плазму с помощью искусственно возбуждаемых высокочастотных пульсаций (а >10кГц ) температуры и концентрации электронной компоненты.
Впервые проведено строгое рассмотрение эволюции изотропной турбулентности в электрогазодинамических системах,исследовано влияние электрических флуктуации на гту эволюцию.
Впервые выявлена особенность низкочастотной области спектра пульсаций температуры или завихренности,связанная с наличием в системах нелинейных источников тепла и (или) завихренности. Практическая ценность результатов: 1)на основании критериального обобщения известных опытных данных по трению и теплообмену при течении плазмы в длинном цилиндрическом канале с джоулевым тепловы-
делением выявлены основные режимы течения,предложены эмпирические зависимости,описывающие эти режимы; 2)выведены соотношения,связывающие одно- и двухточечные корреляционные моменты,содержащие пульсации электрических параметров,с моментами,содержащими пульсации газодинамических параметров: это позволило более обоснованно подойти к замыканию уравнений турбулентного движения и энергообмена в плазменных потоках: 3)разработаны теоретические основы моделирования процессов в электродуговой турбулентной плазме с учетом развития в ней перегревной турбулентности,что дало возможность прогнозировать возникновение пульсаций температуры в ламинарных дугах и дать адекватное толкование известных экспериментальных данных: 4) развита теория изотропной турбулентности применительно к злекгрога-зодинамическим системам,что необходимо для анализа спектра,определения характерных времен затухания и масштабов электрических пульса-ционных полей вблизи объектов космических или околоземных летательных аппаратов,а также в струях авиационных двигателей,содержащих заряженные микрочастицы; 5)теоретически исследована особенность низкочастотной области спектра пульсаций температуры или завихренности в системах с нелинейными .'источниками тепла и (или) завихренности, что позволяет предположить появление в этих системах когерентных структур перегревного или вихревого типов.
Результаты использованы в ИТФ АНСССР при расчетно-теоретическом исследовании характеристик течения в плазмотронах; в АНК "Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова" АН БССР при исследовании влияния турбулентности на параметры электродуговой плазмы: в Институте физики АН Кирг.ССР при разработке прикладных программ для расчетно-теорегического исследования электродуговой плазмы: при анализе экспериментальных данных по влиянию электрических флуктуации на характеристики МГД-генераторов в ФИАЭ им.Курчатова и ОКБ "Горизонт"; в курсе лекций МЭИ. На защиту выносится:
1.Результаты критериального обобщения опытных данных по течению в длинном цилиндрическом канале с даоулевым тепловыделением; некоторые теоретические оценки по устойчивости простейших видов течений (в частности,плоского течения Куэтта) с нелинейным тепловыделением.
2.Вывод соотношений,связывающих одно- и двухточечные корреляционные моменты,содержащие флуктуации электрических параметров,с со-
ответствующими моментами,содержащими только флуктуации газодинамических параметров,применительно к злектродуговым и злектрогазо-динамическим течениям. 3.Модель перегревной турбулентности,входящая составной частью в общую математическую модель турбулентной злектродуговой плазмы. 4.Анализ влияния температурных и электрических флуктуации на термическое и ионизационное равновесие электроразрядной плазмы; один из возможных способов воздействия на степень неравновесности плазмы. 5.Результаты расчета влияния электрических флуктуации на характеристики кондукдаонного МГД-генератора на продуктах сгорания. 6.Теоретический анализ особенностей спектра пульсаций температуры и завихренности в системах с нелинейными источниками тепла и (или) завихренности. Апробация работы и ее результаты докладывались на: VIII-XI Всесоюз. конф. по генераг. низкотемп. плазмы (Новосибирсн-1960;Фрунзе-19вЗ; Каунас-1986;Новосибирск-1989),У1 Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент-1986),республ.конф. "Прикладные проблемы прямого преобразования энергии"(Киев-1984),П Всес. конф. по новой технике в МАИ (Москва-1986),научных семинарах: ИНХС АН СССР, ИТФ СО АН СССР, ФИ им. П.Н.Лебедева АН СССР, ИВТ АН СССР, ИФ АН Кирг.ССР,Ин-т механики МГУ.
Диссертация содержит 255 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 2 таблицы, 175 библиографических ссылок.