Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 1997, том 67, № 12 04 Исследование холловского МГД канала, работающего на ионизационно неустойчивой плазме инертных газов й Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, А.Д. Зуев, Т.А. Лапушкина, А.А. Мархоток Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 10 июня 1996 г.) Исследовалась возможность использования ионизационно-неустойчивой плазмы чистых инертных газов в качестве перспективного рабочего вещества МГД генератора закрытого цикла. Эксперимент проводился в модели дискового холловского МГД канала. Поток ионизованного газа создавался в ударной трубе.

В качестве рабочего газа использовался ксенон. В эксперименте измерялись давление газа, скорость потока, концентрация и температура электронов, плотность азимутального тока, распределение потенциала в канале и величины приэлектродного падения напряжения. Снимались вольт-амперные характеристики при различных значениях магнитного поля и сопротивлениях нагрузки. Результаты эксперимента показали, что в ионизационно-неустойчивой плазме инертных газов без присадки щелочного металла эффективная проводимость в холловском канале существенно увеличивается при увеличении степени закритичности магнитного поля, величина снимаемой максимальной удельной мощности при этом растет быстрее, чем удельная мощность, рассчитанная в предположении ФзамороженнойФ ионизации.

В предыдущих работах авторов [1Ц3] при исследова- величина магнитной индукции 1.4 T. Диаметр дискового нии течения ионизованного газа в поперечном магнит- канала 29 cm, высота зазора h = 1 cm. В дисковом канале ном поле было обнаружено, что средняя проводимость с помощью пьезодатчиков измерялось давление газа, скоинертных газов без присадки щелочных металлов уве- рость потока определялась по скорости распространения личивается по мере развития ионизационной неустой- светящихся неоднородностей, концентрация электронов чивости, в то время как при аналогичных условиях измерялась по интенсивности излучения в континиуме, при использовании традиционного рабочего вещества Ч температура электронов Ч по спаду континиума в фиинертного газа с щелочной присадкой она уменьшает- олетовой области спектра. С помощью локальных инся [4]. Было показано, что одной из причин этого дукционных катушек, ось которых была направлена перэффекта является то, что развитие ионизации в ос- пендикулярно азимутальному направлению, измерялась цилляциях с повышенной температурой не ограничено, плотность азимутального фарадеевского тока j. Далее как в случае полной ионизации присадки, а происходит в эксперименте с помощью электродов, размещенных свободно в соответствии с законом кинетики. В областях вдоль радиуса, измерялось распределение потенциала в с пониженной температурой рекомбинация инертных канале. Снимались вольт-амперные характеристики. При газов происходит медленнее, чем в газах с присадкой. этом в качестве анода использовалась секция ударной Образующиеся в плазме неоднородности располагаются трубы из нержавеющей стали, которая организует развопод определенным углом к направлению среднего тока, рот потока в дисковый канал и электрически изолирована поэтому эффективность канала должна существенным от других деталей трубы. В качестве катода служило образом зависеть от ориентации неоднородностей отно- латунное кольцо шириной 8 mm, выступающее в поток сительно токосъемных электродов. Следовательно, важ- на 0.2 mm и расположенное на внутренней стороне диска но выбрать оптимальный тип коммутации тока. Очевид- в конце зоны МГД взаимодействия. Вольт-амперные но, особенности развития неустойчивости в свою очередь характеристики (ВАХ) снимались для различных знабудут зависеть от типа канала, т. е. задача является само- чений магнитного поля при 4 значениях сопротивления согласованной. Необходимы специальные исследования, нагрузки: 200 k, 1.0, 0.3, 0.1. Основное внимание чтобы выявить тип канала, имеющего преимущества с в данной работе направлено на обработку ВАХ.

точки зрения повышения эффективности МГД преобра- Для течений, устойчивых по отношению к ионизацизования энергии. В данной работе исследуется канал с онным колебаниям B < Bcr, был выполнен теоретичехолловской коммутацией тока.

ский расчет распределения параметров в МГД канале.

Эксперимент проводился в дисковом МГД канале, В одномерном приближении в цилиндрической системе сопряженном с ударной трубой. Описание установки и координат решались система магнитогазодинамических методов измерения содержится в работах [1,2,5,6]. Схе- уравнений для газа в целом, уравнение баланса энергии ма установки приводится на рис. 1. В качестве рабочего для электродов, уравнение закона сохранения заряженгаза использовался ксенон. Число Маха ударной волны ных частиц в соответствии с законом кинетики ионизав ударной трубе было равно 6.7, давление в камере ции, уравнения закона Ома. Начальные условия в данном низкого давления составляло 26 mm/Hg. Максимальная эксперименте при входе в дисковый холловский канал Исследование холловского МГД канала, работающего на ионизационно неустойчивой плазме... Рис. 1. Схема дискового МГД канала, сопряженного с ударной трубой (E Ч электроды).

задавались следующими: r0 = 4 cm, u0 = 1.27 103 m/s, Однако можно выделить линейный участок в области 0 = 0.45 kg/m3, T0 = 2600 K, 0 = 2.5 10-4, начальная - r1). Из данного эксперимента трудно восстановить (rэнтальпия H0 = 1.6MW [7].

значение прикатодного и прианодного падения потенциВАХ были получены при различных степенях закри- алов, но можно определить Ч степень их влияния на тичности магнитного поля 0.5 < B/Bcr < 2.3. Крити- напряженность поля вдали от электродов. Относительческое значение магнитного поля находилось в диапазо- ная величина, показывающая, насколько напряженность не значений 0.55Ц0.75 T, при уменьшении нагрузки его поля вдали от электродов отличается от напряженности, значение увеличивалось. Кривые ВАХ представлены на образующейся вследствие приэлектродных процессов, в рис. 2. На одной и той же кривой могут находиться точсоответствии с рекомендациями [9] может быть характеки, полученные как в устойчивом, так и в неустойчивом режиме. Основное отличие ВАХ, полученных в условиях развития ионизационной неустойчивости, заключается в появлении плато и в немонотонном характере зависимости V (I). Вид ВАХ определяется значением внутреннего сопротивления плазмы и величиной приэлектродного падения потенциала. Следует отметить, что при B > 1.2T в конце канала возможно возникновение скачка МГД торможения.

Распределение потенциала получено для осредненных по колебаниям падений напряжения на соседних электродах. На рис. 3 приведены типичные осциллограммы напряжений, снятых при нагрузке 0.3 при докритическом и закритическом значении поля.

Распределение потенциала для двух значений магнитного поля B < Bcr и B > Bcr для нагрузок 200 k и 0.3 представлено на рис. 4. Напряжение, снимаемое при 200 k, т. е. при отсутствии холловского тока, представляет собой значение холловской эдс ().

Наблюдается замедление роста эдс () вдоль канала. При Рис. 2. Вольт-амперные характеристики. Темные значки Ч B = 0.5 T МГД торможение потока незначительно. При устойчивое течение; светлые Ч неустойчивое течение. Цифры B = 1.1 T в канале наблюдается существенное умень- у кривых Ч значения магнитной индукции в Т.

шение скорости потока. Замедление роста эдс вдоль по каналу обусловлено не только замедлением потока, но и уменьшением эффективного значения параметра Холла.

При протекании холловского тока обращает внимание наличие отрицательного падения потенциалов вблизи катода. Существует два механизма эмиссии электронов с катода. Это Ч потенциальная эмиссия, обусловленная тем, что энергия, выделяемая при рекомбинации ионов, более чем в 2 раза превышает работу выхода [8]. Второй механизм Ч образование катодных микродуг [8]. Приэлектродные падения сложным образом влияют на расРис. 3. Осциллограммы напряжений на 2Ц3 электродах. B, T:

пределение потенциала в межэлектродном промежутке.

a Ч0.5, b Ч1.1.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 8 Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, А.Д. Зуев, Т.А. Лапушкина, А.А. Мархоток Рис. 4. Распределение потенциала вдоль радиуса. Цифры у кривых Ч сопротивление нагрузки в.

ризована следующим образом: eff =/(ruB). На рис. 6 приведены эти значения eff для устойчивого и неустойчивого режимов B = 0.5 и (V2 - V1)(rK - rA) 1.1 T соответственно. Штрихпунктир линии показывают = - VH VH, r2 - rсредние значения eff, определенные по значениям между анодом и катодом и по значению средней скогде (rK - rA) Ч расстояние между катодом и анодом, рости. Уменьшение при B = 0.5 T, как показывает VH Ч потенциал катода относительно анода.

анализ расчетных данных [1], обусловлено в основном Определенные, таким образом, значения, осреднентем, что в результате развития неравновесной ионизаные по нескольким экспериментам, представлены на ции увеличивается роль кулоновских столкновений, что рис. 5. Зависимости V (r), полученные в разных эксприводит к увеличению частоты передачи импульса и, периментах для одних и тех же условий, существенследовательно, к уменьшению параметра Холла. При но отличаются друг от друга. Тем не менее можно более высоком значении поля в неустойчивом режиме установить некоторые общие тенденции. Оказывается, к этому фактору добавляется увеличение плотности что наибольшую роль приэлектродные процессы играют вследствие подтормаживания потока и возникновение при малых значениях магнитного поля, т. е. при малых неоднородностей в результате развития ионизационной токах. Однако зависимость от нагрузки обнаруживает, что при наименьшей нагрузке 0.1 влияние приэлектродных процессов наибольшее. Это объясняет резкое падение ВАХ при наибольших значениях тока. И отчасти полученная зависимость от нагрузки и поля объясняет немонотонный характер ВАХ.

Эффективное значение параметра Холла в неоднородной плазме определяется следующим образом [10]:

eff = E / E, где индексы и относятся соответственно к проекциям векторов на направление, перпендикулярное и параллельное среднему току. В данном случае, принимая во внимание, что jr Ey = u B, = tg ; j < 0, Ex < 0, j и пользуясь абсолютными значениями величин, имеем uB tg + Ex eff =.

uB - Ex tg В случае короткозамкнутого фарадеевского канала, когда jr = 0, tg = 0, что соответствует нагрузке Rload = 200 k, eff = Ex /uB. Для этого слуРис. 5. Относительное влияние приэлектродных падений чая значения eff были получены из измеренных распотенциала на напряжение вдали от токосъемных электродов.

пределений эдс () и скорости потока вдоль радиуса Цифры у кривых Ч сопротивление нагрузки в.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Исследование холловского МГД канала, работающего на ионизационно неустойчивой плазме... Рис. 6. Распределение параметра Холла вдоль радиуса. Квадратики и сплошные линии Ч эксперимент при I = 0, кружки Ч эксперимент при Rload = 0.3, штриховые линии Ч значения и eff при Rload = 0.3, штрихпунктир Ч средние по каналу значения и eff.

неустойчивости. В результате при B = 1.1 T эффектив- Определение эффективной проводимости плазмы проводилось для центрального участка канала (r2-r4), отное значение параметра Холла уменьшается до единицы.

стоящего от электродов примерно на 2 cm. Значение Видно, что значения, измеренные в начале канала, где внутреннего сопротивления плазменного промежутка R неустойчивость еще только начинает развиваться, для определялось из закона Ома для холловского тока двух значений B слабо отличаются друг от друга. Этот факт, а также факт существования немонотонной зависи - V R =, мости (B) в устойчивых режимах [1] объясняются тем, I что величина параметра Холла при заданных условиях где и V Ч изменение и падение потенциалов сильнее зависит от степени неравновесной ионизации, на заданном участке, измеренные с помощью локальных чем непосредственно от величины поля, ответственного электродов; I Ч холловский ток, который определяется за развитие ионизации.

через сопротивление нагрузки и падения напряжения на Распределение (r), представленное на рис. 6, полуней.

чено в отсутствие холловского тока. Значения можно Значение эффективной холловской проводимости свяопределить и при протекании холловского тока. Для зано с сопротивлением следующим соотношением:

этого используются значения j, измеренные с помо0 ln r2/rщью индуктивных катушек, и значения jr = I/(2rh).

eff = =.

1 + 2 eff R21 2h Измерения показали, что для r = 9.5cm при B = 0.5T tg = 0.3, при B = 1.1T tg = 0.16. Соответствующие Основная трудность в определении проводимости зазначения и eff на рис. 6 обозначены точками. Эти ключается в том, что падение напряжения на плазменном значения оказываются несколько выше, чем при I = 0.

Результаты расчета устойчивых течений показали, что когда холловский ток замыкается через нагрузку и происходит съем мощности, в канале несколько уменьшается температура электронов, замедляется развитие ионизации, что приводит к увеличению параметра Холла на 10Ц25%. Относительное увеличение в зависимости от сопротивления нагрузки может быть определено из расчетных данных и соответственно на эту величину следует скорректировать экспериментальные данные.

Полученные таким образом значения при B = 0.5T показаны сплошной линией. Для неустойчивого течения предполагается, что в начале канале, где неустойчивость только возникает, справедлива подобная ФламинарнаяФ поправка, а далее вдоль канала скорость убывания меньше, чем при jr = 0, когда степень закритичности магнитного поля выше. Предполагаемые значения eff, включающие в себя значение eff, измеренное в эксперименте, нанесены штриховой линией. Подобные поправки позволяют уточнить значение эдс для условий, когда Рис. 7. Зависимость эффективной проводимости плазмы от холловский ток замыкается через заданную нагрузку.

величины магнитной индукции.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 10 Р.В. Васильева, Е.А. Дьяконова, А.В. Ерофеев, А.Д. Зуев, Т.А. Лапушкина, А.А. Мархоток промежутке - V = Vp является разницей сопоставимых величин. Поэтому значения eff =[0 (1 + 2)-1]eff определяются с низкой точностью. Так, для R = 1.eff определяется с точностью до множителя 3. Для R = 0.1 и R = 0.3 точность определения eff выше и составляет примерно 50%. В пределах точности значения eff для этих двух сопротивлений нагрузки совпадают. Эти значения eff приведены на рис. 7. Видно, что при возрастании поля по сравнению с критическим в 2 раза значение eff возрастает примерно в 4 раза. При этом средний по каналу эффективный параметр Холла уменьшается от 2 до 1.5. Таким образом, eff растет быстрее, чем (1+2)-1, что, вероятно, обусловлено тем, что 0 увеличивается с ростом B.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам