Магнитная гидродинамика. Современное видение проблем (150,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

Стр.9

УДК 533.9 ББК 22.253.35 K 432 Интернет-магазин http://shop.rcd.ru • ф и з и к а • м а т е м а т и к а • б и о л о г и я • н е ф т е г а з о в ы е т е х н о л о г и и Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 09-08-07003 Кирко И. М., Кирко Г. Е. Магнитная гидродинамика. Современное видение проблем. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский Институт компьютерных исследований, 2009. – 632 с. В настоящей книге авторы попытались расширить традиционные границы применимости магнитной гидродинамики, показать новые направления ее развития. Особое внимание уделено таким проблемам, как МГД в реакторах на быстрых нейтронах, МГД при производстве алюминия в современных электролизерах, а также вопросам, связанным с созданием озонаторов с турбулентным потоком рабочей среды. В некоторой степени данную книгу можно рассматривать как программу исследовательских работ. Ее цель – заинтересовать этой областью науки возможно большее число опытных ученых и молодых исследователей. Издание может оказаться полезным также для аспирантов, инженеров, научных работников и преподавателей, встретившихся с вопросами магнитной гидродинамики в своей научно-исследовательской, практической и педагогической работе. ISBN 978-5-93972-752-5 © Г. Е. Кирко, 2009 © НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2009 http://shop.rcd.ru http://ics.org.ru ББК 22.253.35

Стр.2

Оглавление Предисловие Введение ГЛАВА 1 Основы магнитной гидродинамики § 1.1. Определение магнитной гидродинамики § 1.2. Уравнения магнитной гидродинамики § 1.3. Физическое подобие и размерность § 1.4. Критерии подобия магнитной гидродинамики § 1.5. Экстремальные области магнитной гидродинамики. Пути поиска новых явлений Приложение. Вывод уравнения Навье–Стокса в безразмерной форме ГЛАВА 2 § 2.1. § 2.2. § 2.3. § 2.4. ГЛАВА 3 § 3.1. Гидравлические характеристики течения Гартмана Бегущее магнитное поле в магнитогидродинамическом канале Магнитогидродинамические течения проводящих жидких сред в плоских каналах Решение уравнений магнитной гидродинамики для некоторых течений с прямыми линиями тока 10 18 20 20 22 30 36 42 49 53 53 59 Режимы работы магнитогидродинамического (МГД) канала 61 64 Явление обтекания тел в магнитной гидродинамике Обтекание тел проводящей жидкостью в магнитном поле 3.1.1. Течение вдоль бесконечной плоскости 3.1.2. Обтекание бесконечного цилиндра вдоль его образующей в поперечном магнитном поле § 3.2. 3.1.3. Поступательное движение шара в магнитном поле 3.1.4. Вращательное движение шара в магнитном поле Пограничный слой в магнитной гидродинамике 3.2.1. Понятие о пограничном слое 3.2.2. Приложение метода теории размерности к оценке толщины пограничного слоя § 3.3. 3.2.3. Уравнение Прандтля для магнитной гидродинамики 3.2.4. Течение вдоль пластины Отрыв пограничного слоя 69 69 70 72 74 77 78 78 79 83 87 89

Стр.3

4 ОГЛАВЛЕНИЕ § 3.4. «Вязкое ядро» в осесимметричном течении при больших числах Стюарта ГЛАВА 4 § 4.1. § 4.2. Турбулентность при течении жидких металлов в магнитном поле Экспериментальные и теоретические факты, положившие начало учению о турбулентности Основные свойства и законы установившегося турбулентного движения в канале (круглой трубе) 4.2.1. Законы распределения скоростей для гладкой и шероховатой труб 4.2.2. Законы сопротивления для гладких и шероховатых труб § 4.3. § 4.4. Уравнения движения в отсутствии магнитного поля Полуэмпирические теории турбулентности 4.4.1. Теория Буссинеска 4.4.2. Полуэмпирическая теория Прандтля 4.4.3. Теория переноса завихренностей, предложенная Тейлором 4.4.4. Гипотеза подобия турбулентных пульсаций – гипотеза Кармана § 4.5. § 4.6. § 4.7. Статистическая теория турбулентности Неустойчивость ламинарных магнитогидродинамических течений и переход к турбулентности Коэффициент сопротивления и распределение осредненных скоростей при турбулентном течении в каналах в магнитном поле 4.7.1. Плоский гладкий непроводящий канал в поперечном магнитном поле (течение Гартмана) 4.7.2. Осесимметричное и плоское течения в продольном поле 4.7.3. Профили скорости § 4.8. ГЛАВА 5 § 5.1. § 5.2. § 5.3. ГЛАВА 6 § 6.1. Уравнение Рейнольдса в магнитном поле и полуэмпирические теории турбулентности Процессы при значении магнитного числа Рейнольдса много больше единицы Явление диффузии магнитного поля Теорема Валена Волны Альфвена Технические приложения магнитной гидродинамики жидких металлов История кондукционного МГД-насоса и униполярного двигателя 91 96 96 97 97 101 103 106 107 107 108 109 110 114 116 116 118 120 121 127 127 131 135 140 140

Стр.4

ОГЛАВЛЕНИЕ § 6.2. МГД-канал. Элементарная теория кондукционной машины 6.2.1. Понятия скольжения и относительной скорости течения в кондукционной МГД-машине 6.2.2. Коэффициент полезного действия, «p-Q» характеристика МГД-машины § 6.3. Некоторые задачи о бегущем магнитном поле, существенные для прикладной магнитной гидродинамики 6.3.1. Непрерывный индуктор бегущего поля над металлическим полупространством 6.3.2. Воздействие бегущего магнитного поля параллельных индукторов на полосу металла § 6.4. ГЛАВА 7 § 7.1. § 7.2. § 7.3. § 7.4. § 7.5. ГЛАВА 8 § 8.1. § 8.2. § 8.4. § 8.5. § 8.6. ГЛАВА 9 § 9.1. § 9.2. Индукционные электромагнитные насосы с бегущим полем Генерация и самовозбуждение магнитного поля Классификация явлений, принятая в данной книге Теория индуцирующего действия упорядоченных (ламинарных) течений Теория однородного динамо и лабораторный эксперимент Электродинамика усредненных магнитных полей. Экспериментальное обнаружение альфа-эффекта Термоэлектромагнитогидродинамическая (ТЕМГД) гипотеза происхождения магнитного поля Земли Усиление магнитного поля при движении проводящих сред Методы получения сильного поля за счет движения проводящей среды Импульсный электромагнит на принципе пластической деформации проводящих оболочек § 8.3. «Магнитный снаряд» как носитель магнитного потока для возбуждения продольного тока в плазменном витке Вынос магнитного потока из соленоида медным лайнером. Эксперимент Метательные устройства для макротел Генерация магнитного поля при конфокальном движении проводящей несжимаемой среды. Гидромагнит Кольма Реактор на быстрых нейтронах – объект для наблюдения МГД-явлений Теоретические предпосылки Постановка эксперимента 143 145 148 154 155 161 162 169 169 178 184 192 203 212 212 217 221 224 228 236 243 243 246 5

Стр.5

6 § 9.3. § 9.4. ОГЛАВЛЕНИЕ Термоэлектрические токи, текущие внутри первого контура реактора БН-600 Генерация магнитного поля в районе главного циркуляционного насоса 9.4.1. Описание явления 9.4.2. Анализ возможных причин колебаний Hr-компоненты в районе ГЦН 9.4.3. Гипотезы возникновения генерации § 9.5. МГД-процессы в напорной камере. Самовозбуждение магнитного поля 9.5.1. Описание явления 9.5.2. Безразмерные параметры, описывающие процессы в первом контуре реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем 9.5.3. Механизм самовозбуждения магнитного поля в напорной камере реактора БН-600 9.5.4. Оценка предельного поля при явлениях самовозбуждения в напорной камере реактора БН-600 § 9.6. § 9.7. § 9.8. § 9.9. ГЛАВА 10 Критические МГД-режимы в объеме жидкого металла первого контура перспективных атомных реакторов большой мощности Волны Альфвена и генерация колебаний магнитного поля в реакторе на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. Биоинформационная функция волн Альфвена Моделирование в лабораторных условиях МГД явлений, происходящих в реакторе. Магнитогидродинамические процессы в алюминиевом электролизере § 10.1. Проблемы современных мощных электролизеров § 10.2. Физико-технологическая модель динамики электролизера § 10.3. § 10.4. § 10.5. Вихревые течения в жидкометаллическом катоде современного промышленного электролизера Явление преломления направления электрического тока на границе электролит–расплав алюминия Явления в слое электролита 10.5.1. Двухслойное течение в межполюсном пространстве 10.5.2. Транспортный механизм двухслойного течения в МПР § 10.6. Краевой эффект в электролизере 257 261 261 263 266 272 272 278 283 289 298 305 Итоги измерений на «холодном» и «горячем» реакторах 310 314 318 318 327 331 337 340 340 342 345

Стр.6

ОГЛАВЛЕНИЕ § 10.7. § 10.8. Закономерности электрических явлений в электролизерах Эру-Холла во временном интервале между двумя анодными эффектами Магнитогидростатические и магнитогидродинамические явления в алюминиевом электролизере 10.8.1. Постановка задачи 10.8.2. Расчет явления нелинейного пинча на границе электролит-жидкий алюминий в пространстве под анодом (Плоская МГС-задача) § 10.9. Коррекция магнитного поля электролизера Эру-Холла. Индикация анодного эффекта § 10.10. Магнитогидродинамические устройства для алюминиевых расплавов 10.10.1. Дозирование жидкого металла при помощи электромагнитных насосов 10.10.2. Индукционные устройства со свободной поверхностью жидкого металла. Электромагнитные перемешиватели и индукционные лотки 10.10.3. МГД – запорное устройство 10.10.4. Применения однофазного электромагнитного поля для управления течением жидкого алюминия § 10.11. Электролизер на биполярных электродах для получения алюминия с МГД-управлением процессом 10.11.1. Описание конструкции 10.11.2. Физическая сущность примененных процессов 10.11.3. Гидродинамика электролизера 10.11.4. Влияние МГД-эффектов на режимы течений в электролизере 10.11.5. Выбор параметров создаваемого электролизера Приложение. Расчет алюминиевого электролизера Кирко–Полякова § 10.12. Постановка системы МГД-измерений на действующих электролизерах ГЛАВА 11 § 10.13. Измерение уровня алюминия в электролизерах Плазма газового разряда. Озонаторы § 11.1. § 11.2. § 11.3. Газовый разряд – источник плазмы Использование электрического разряда в газах в науке и технике Барьерный разряд § 11.4. Выбор электродинамической схемы и оптимальных параметров барьерного озонатора 11.4.1. Озонатор постоянного поля. Конструктивные возможности 352 358 358 360 367 372 375 382 391 404 410 410 418 420 421 422 425 440 443 453 453 454 460 464 467 7

Стр.7

8 ОГЛАВЛЕНИЕ 11.4.2. Озонатор переменного поля 11.4.3. Озонатор с переменным синусоидальным напряжением 11.4.4. Оптимальные конструкционные соотношения озонаторов § 11.5. Самоочищение электродов барьерного электрического озонатора при турбулентном режиме течения газа § 11.6. § 11.7. § 11.8. § 11.9. Математическая модель барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении Исследование электрической заряженности озонированного газа при турбулентном режиме работы озонатора Использование озонаторов для очистки воды и воздуха Применение озонаторов для нейтрализации продуктов сгорания твердого ракетного топлива и получения дисперсного корунда § 11.10. Применение озонаторов в производстве алюминия ГЛАВА 12 § 12.1. § 12.3. § 12.4. Физические принципы магнитодинамического накопления энергии Анализ различных способов накопления энергии § 12.2. Общие положения о способах разгона маховиков и съема запасенной кинетической энергии Энергетический сателлит космической станции Возможности применения гироаккумуляторов в автомобиле § 12.5. Инерционный накопитель с жидкометаллическим контактом как источник энергии для получения сильных магнитных полей § 12.6. «Магнитный снаряд» как носитель магнитного потока для возбуждения продольного тока в плазменном витке § 12.7. Вынос магнитного потока из соленоида медным лайнером. Эксперимент ГЛАВА 13 § 13.1. § 13.2. § 13.3. Магнитостабилизированные гетерогенные среды в сильных магнитных полях. Перспективы их использования Ферромагнитная суспензия как рабочее тело магнитодинамических устройств Магнитосвязная сыпучая среда как магнитодинамический поршень Магнитодинамический генератор с рабочим телом в виде газового потока, несущего неоднородную ферромагнитную массу 469 470 472 474 478 487 492 505 522 529 529 542 544 552 557 567 570 574 574 584 587

Стр.8

ОГЛАВЛЕНИЕ § 13.4. Модель элементарного взаимодействия ферромагнитного поршня и соленоида в магнитодинамическом генераторе § 13.5. § 13.6. § 13.7. § 13.8. Силовое воздействие магнитного поля на магнитосвязную среду Закономерности ориентации ферромагнитного цилиндра с большой относительной длиной в магнитном поле в вязкой среде Конгломерат ферромагнитных нитей в вязкой среде с наложенным внешним магнитным полем Аналогии в поведении ферромагнитных гетерогенных сред и составляющих элементов биологических жидкостей в однородном магнитном поле 13.8.1. Структурные превращения цепочки из ферромагнитных шариков в однородном магнитном поле, создаваемом кольцами Гельмгольца 13.8.2. Исследование поведения эритроцитарной и ферромагнитной взвесей в однородном магнитном поле Именной указатель 599 603 607 611 617 617 619 621 9

Стр.9