Взаимодействие пульсирующего магнитного поля с жидкой проводящей средой

Изучаются физические процессы электромагнитного взаимодействия пульсирующего (знакопеременного) магнитного поля с жидкой проводящей средой (жидким металлом) и связанные с ними процессы преобразования энергии в МГД-каналах. Изучаются влияние движения проводящей среды на структуру плоской электромагнитной волны и возможности ее по развиваемому электромагнитному давлению и эффективности преобразования энергии в случае, когда волна распространяется в движущемся проводящем полупространстве теоретически в бесконечность.
На основе решения уравнений электромагнитного поля для МГД-каналов с движущейся жидкой проводящей средой изучаются процессы взаимодействия со средой плоской и цилиндрической электромагнитных волн и процессы преобразования энергии в МГД-каналах конечной длины: различной конфигурации, с разными источниками электромагнитной волны и в различных режимах их работы (режимы МГД-насоса, МГД-генератора, МГД-тормоза, МГД-дросселя).
Результаты численных исследований проиллюстрированы большим количеством графического материала, представленного в безразмерном виде, что позволяет судить о происходящих в МГД-каналах процессах в широком диапазоне изменения исходных параметров.
Ил. 138. Библиогр. 49 назв.
Введение
Научно-техническая литература по исследованиям процессов взаимодействия электромагнитного поля с жидкой проводящей средой, связанных с созданием магнитогидродинамических (МГД) машин переменного тока, посвящена главным образом взаимодействию со средой бегущего или вращающегося магнитного поля [1-9]. Между тем существующий самостоятельно МГД-метод, в основе которого лежит взаимодействие с проводящей средой пульсирующего (знакопеременного) магнитного поля, остался незаслуженно обойденным. Немногочисленные исследования в этой области связаны в основном с изучением конкретных, чаще специфических конструкций МГД-машин (насосов) либо отдельных явлений в МГД-каналах [10-23]. В то же время предложено большое количество различных конструкций МГД-машин (насосов) с пульсирующим магнитным полем, способных конкурировать по многим показателям с МГД-машинами других типов.
В данной книге сделана попытка систематического изучения основных (принципиальных) физических процессов электромагнитного взаимодействия пульсирующего (знакопеременного) магнитного поля с жидкой проводящей средой (жидким металлом) и связанных с ними процессов преобразования энергии в МГД-каналах. Фундаментальной частью работы является решение задач распределения электромагнитного поля в МГД-каналах различной конфигурации и в разных режимах их работы. При этом рассматривается переменное электромагнитное поле, когда его составляющие в каждой точке МГД-канала изменяются во времени по синусоидальному закону.
Под МГД-каналом понимается пространство, ограниченное размерами поверхностей полюсных наконечников магнитопровода, образующих рабочий зазор МГД-машины. В зазоре предполагается существование нескольких слоев с различными физическими свойствами: жидкая проводящая среда (жидкий металл), проводящие стенки канала, слои теплоизоляции между ними и поверхностями полюсных наконечников магнитопровода. Жидкая проводящая среда и проводящие стенки в пределах объема МГД-канала находятся под воздействием взаимно перпендикулярных магнитного и электрического полей. Краевые эффекты, связанные с конечностью длины и ширины полюсных наконечников магнитопровода и бесконечностью длины металлопровода, не учитываются. В реальных устройствах задачи расчета поля могут приближаться к рассматриваемым в книге задачам при помощи различных конструктивных мер, таких как установка продольных изоляционных перегородок на входе и выходе МГД-канала, выбор соответствующих соотношений геометрических размеров МГД-канала, а также материалов и т. п. Жидкая проводящая среда движется по сечению МГД-канала между его стенками с одной и той же скоростью. Стенки канала считаются электрически изолированными от слоя жидкой проводящей среды.
Все допущения, принятые автором, могут быть оправданы тем, что они способствуют наиболее отчетливому пониманию физической картины происходящих в МГД-каналах процессов и позволяют изучать принципиальные возможности рассматриваемого метода электромагнитного взаимодействия. В то же время приведенные в книге результаты дают возможность довести исследования до расчета всего устройства в целом с учетом особенностей каждой конкретной конструкции.
Электромагнитное поле в рассматриваемых МГД-каналах существует в виде электромагнитных волн, распространяющихся в жидкой проводящей среде, поэтому в первой главе рассматривается структура плоской электромагнитной волны в движущейся проводящей среде. На примере плоской электромагнитной волны, распространяющейся в движущемся проводящем полупространстве, простирающемся теоретически в бесконечность, рассмотрены возможности волны по развиваемому электромагнитному давлению и по эффективности преобразования энергии. В последующих четырех главах изучаются процессы взаимодействия плоской электромагнитной волны в МГД-каналах конечной длины для трех различных источников электромагнитной волны. Для всех трех случаев проведен расчетный анализ процессов в МГД-каналах в различных режимах их работы. Во второй главе приводятся общие решения уравнений электромагнитного поля и в конечном виде - обобщенные выражения для интегральных характеристик плоских линейных МГД-каналов. Выражения могут быть использованы для расчета характеристик указанных каналов с любыми граничными условиями, адекватно отражающими конструктивные особенности конкретного устройства. В третьей главе анализируются процессы и характеристики МГД-канала, в котором в качестве источника электромагнитной волны используется источник внешнего пульсирующего магнитного поля, в четвертой главе - источник напряженности стороннего электрического поля и, наконец, в пятой - источник пульсирующего магнитного поля и источник напряженности стороннего электрического поля одновременно. В шестой и седьмой главах изучаются процессы взаимодействия цилиндрической электромагнитной волны с МГД-каналами конечной длины - осесимметричными и с изменяющимся по длине канала проходным сечением. В восьмой главе решается двумерная задача распределения электромагнитного поля в плоском линейном МГД-канале, помещенном во внешнее пульсирующее магнитное поле, анализируются процессы электромагнитного взаимодействия в канале и возможности канала по развиваемому электромагнитному давлению и другим параметрам. В девятой главе рассматриваются процессы взаимодействия в МГД-каналах с магнитным полем постоянного тока и поступательным движением в канале жидкой проводящей среды. В десятой главе изучаются процессы преобразования энергии в МГД-канале с магнитным полем постоянного тока и возвратно-поступательным движением жидкой проводящей среды, индуцирующим в МГД-канале пульсирующее магнитное поле.
Все решения и численные исследования проведены в безразмерной форме, что позволило в относительно сжатом виде представить результаты расчетного анализа физических процессов в широком диапазоне изменения исходных параметров.
В книге использована общепринятая система обозначений физических величин, но следует иметь в виду, что коэффициенты, вводимые для упрощения математических выражений или для других целей и обозначенные одинаковым символом, в разных главах могут иметь различное содержание.
Вопросы описания конкретных конструкций МГД-машин пульсирующего поля, их расчета с учетом конструктивных особенностей и экспериментальных исследований предполагается изложить в самостоятельном издании.
Содержание данной книги основывается главным образом на работах автора, выполненных в Институте теплофизики Уральского отделения Российской академии наук [24-32]. Часть этих работ выполнена в соавторстве с сотрудниками лаборатории МГД-преобразователей и автор им искренне признателен. Все расчеты, результаты которых представлены в книге, выполнены Л. К. Брексон, за что автор выражает ей сердечную благодарность.
Данная книга, насколько известно автору, является первым монографическим изданием, посвященным физическим процессам взаимодействия пульсирующего магнитного поля с жидкой проводящей средой, поэтому автор далек от мысли о совершенстве изложенного материала и будет благодарен всем читателям, которые сообщат ему о замеченных недостатках книги как по содержанию, так и по форме изложения материала.