Модель денотационного МГД-генератора с Т-слоем

Скачать

Аннотация

Введение

Т-слой представляет из себя плазменный поршень в потоке «холодного» толкающего газа и имеет стабилизированную температуру ~10⁴ К. С одной стороны, такая температура обеспечивает ему высокую электропроводность, с другой — обуславливает огромные радиационные потери, вследствии которых в процессе работы МГД-генератора на поддержание температуры Т-слоя расходуется до 30% генерируемой энергии. При малых давлениях в потоке газа (~10 атм) излучение Т-слоя носит объемный характер и характеристики генератора (состав газа, давление в потоке, величина внешнего магнитного поля) однозначно определяют характерный «стабилизированный» размер Т-слоя. Если исходить из разумного предположения, что размер Т-слоя поперек канала не может превышать его размера вдоль потока, то сразу получается ограничение на ширину канала и, следовательно, на мощность генератора. Расчеты показали, что при работе с инертными газами (аргон, гелий) мощность генератора с Т-слоем может достигать 100 МВт, а при работе на продуктах сгорания, имеющих высокую излучательную способность, не может превышать нескольких сотен киловатт. Таким образом, излучение определяет предельную мощность генератора. Повышение мощности возможно путем резкого увеличения давления газа в канале. Как было показано в [1], при этом излучение из Т-слоя становится поверхностным (излучение запирается), относительные затраты энергии на поддержание температуры Т-слоя значительно уменьшаются, а характерный размер определяется уже не излучательными характеристиками газа, а тепловой мощностью потока и величиной магнитного поля. Появляется возможность создавать генераторы мощностью в несколько гигаватт, при этом оптимальным рабочим газом становятся как раз продукты сгорания, имеющие высокие коэффициенты поглощения.

Эффект запирания излучения проявляется при давлениях ≥ 100 атм. Естественно, что необходимость создания таких давлений в потоке газа ставит вопрос о технической возможности реализации такого генератора, если исходить из идеологии сжигания топлива в камере сгорания и последующего истечения продуктов сгорания через сопло в МГД-канал. Однако известно, что в детонационных трубах получение потока с давлением в несколько сотен атмосфер не представляет трудностей. Попытки использовать детонационный режим сгорания в МГД-генераторах уже предпринимались [2], однако они не привели к успеху, главным образом из-за того, что не удалось обеспечить достаточную проводимость в потоке рабочего газа. Использование эффекта Т-слоя позволяет по-новому взглянуть на эту идею. И первый вопрос, на который нужно ответить, это: позволяет ли детонационный режим сгорания обеспечить эффективное преобразование энергии в канале МГД-генератора с Т-слоем в режиме запирания излучения. Положительный ответ на этот вопрос позволит говорить в дальнейшем о технических характеристиках генератора и возможных схемных решениях. Тем не менее уже сейчас в рамках известных проблем МГД-генератора с Т-слоем следует обозначить некоторые направления дальнейших исследований чтобы понять, не противоречат ли они идеологии детонационного МГД-генератора с Т-слоем.

Вторая, из обозначенных, проблема — устойчивость плазменного поршня в потоке толкающего газа. Она до сих пор не решена, хотя попытки численного моделирования двумерной структуры Т-слоя в потоке вязкого толкающего газа в магнитном поле предпринимались. Делались попытки и экспериментального определения критерия непроницаемости плазменного поршня, но и они не дали пока однозначного ответа. При анализе схемы МГД-генератора с Т-слоем предполагалось, что по аналогии с дугами высокого давления Т-слой будет обтекаться потоком толкающего газа как цилиндрическая дуга. Из этого предположения исходили во всех оценках мощности генератора, считая, что ширина МГД-канала не может превышать характерного размера «стабилизированного» Т-слоя (т.е. диаметра дуги). В этих же самых предположениях детонационный МГД-генератор с Т-слоем позволяет получить значительно больше мощности в единичном канале. Во-первых, как уже говорилось, в режиме запертого излучения перестраивается структура Т-слоя и его характерный размер увеличивается. Во-вторых, с увеличением давления в потоке пропорционально растут тепловая и электрическая мощности МГД-генератора. Оценки показывают, что электрическая мощность детонационного МГД-генератора может достигать нескольких гигаватт. Наибольшие трудности здесь, по-видимому, будут связаны с необходимостью достижения предельных величин внешнего магнитного поля.

Рассмотрим теперь проблему инициирования Т-слоев. Здесь два аспекта. Первый, это первоначальный пробой газа, обеспечивающий дальнейший вклад энергии в поток газа. В МГД-генераторах с Т-слоем с камерой сгорания в канале имеются относительно холодные приэлектродные области с высокой электрической прочностью. Для их пробоя к электродам необходимо прикладывать напряжение в (5-10)кВ. После пробоя, напряжение на электродах падает до нескольких сотен вольт и остается таким в процессе разогрева Т-слоя. Все это накладывает определенные требования на источник инициирования и синхронизацию его работы, снижая КПД вклада энергии. В детонационном МГД-генераторе задача пробоя решается просто — за фронтом детонационной волны имеется зона хемопроводимости, обеспечивающая автоматический пробой при входе ее на электроды генератора, к которым приложено напряжение. Поскольку зона хемопроводимости имеется и в прилегающих к электродам областях, то собственно о пробое речи не идет; напряжение, приложенное к электродами, обеспечивает сразу разогрев Т-слоя. В этом смысле детонационный МГД-генератор отличается от традиционного в лучшую сторону. Второй аспект инициирования, это собственно затраты на первоначальный разогрев Т-слоя до уровня, обеспечивающего его подхват и окончательное формирование уже за счет энергии потока. Здесь, по сравнению с обычной схемой, ничто не меняется. Следует только отметить, что с увеличением давления и плотности потока газа, абсолютные затраты энергии на инициирование также возрастут. В любом случае, работающий МГД-генератор с Т-слоем (детонационный или с обычной камерой сгорания) должен черпать энергию на инициирование Т-слоев из потока. Учитывая большие количества энергии на нагрев Т-слоя (от сотен кДж до десятков МДж, а также время вклада этой энергии в нагреваемый объем газа (несколько сотен микросекунд) следует признать, что единственно приемлемым накопителем такой энергии может быть индуктивность. Конкретно индуктивность (или часть индуктивности) электромагнита, обеспечивающего внешнее магнитное поле. Поэтому, в дальнейшем придется рассматривать параметрический режим работы детонационного МГД-генератора и тогда определяться с частотой и формой генерируемого тока. Пока же, рассчитывая детонационный режим горения газа в канале, необходимо определить хотя бы частоту работы детонационной камеры сгорания, поскольку именно это определит скважность работы единичного МГД-канала и, следовательно, необходимое количество одновременно работающих каналов. В работе [2] указывалось, что детонационная камера сгорания работала с частотой 100 Гц и это дает основание надеяться на создание в будущем детонационного МГД-генератора с Т-слоем, генерирующего переменный электрический ток. Пока же необходимо пройти основные этапы решения этой задачи и перый из них — показать принципиальную работоспособность детонационного МГД-генератора с Т-слоем; второй этап — промоделировать детонационный МГДГ с большим давлением в канале и запертым излучением; и третий — изучить параметрический режим работы.

Целью настоящей работы было численное моделирование процессов протекающих в канале детонационного МГД-генератора с Т-слоем в приближении объемных радиационных потерь в Т-слое, изучение динамики движения газа в канале генератора и влияния параметров генератора на режим его работы.