книги из ГПНТБ / Щербинин Э.В. Струйные течения вязкой жидкости в магнитном поле

532

Щ 644

У Д К 538.4 ,

ГОС.. ПУБЛИЧНАЯ . -.

1

НАУЧНО-7Г.

. ЧЕ .. КАЙ

Б И Б Л И О Т Е К А С С С Р , ^ _

Магнитогидродинамические

струи

по

традиции

относятся

к

той области

магнитной

гидродинамики,

которая

связана

с

изуче­

нием

МГД-пограничного

слоя.

Однако

если

проблемы

МГД-при-

стеночного

пограничного

слоя

с

той

или

иной

степенью

полноты,

обсуждались

в

различных

монографиях

(Л.

Е.

Калихман.

Элементы

магнитной

газодинамики.

М.,

Атомиздат,

1964.

А.

Б.

В атажин,

Г.

А.

Любимов,

С. А.

Ре

гир

ер.

Магнито­

гидродинамические

течения

в каналах.

М.,

«Наука»,

1970.

Д.

С

ат-

тон,

А.

Шерман.

Основы

технической

магнитной

гидродина­

мики.

М.,

«Мир»,

1968.

Л.

А. В у лис,.

В. П.

Кашкар

о в.

Теория

струй

вязкой

жидкости.

М.,

«Наука»,

1965.

А.

Б.

Цинобер.

Магнитогидродинамическое

обтекание

тел.

Рига,

«Зинатне»,

1970),

то обобщение

результатов

по

изучению

свободных

«погра­

ничных»

слоев,

по

существу,

не

предпринималось.

Лишь

в

моно­

графии

Л.

А.

Вулиса

и В.

П.

Кашкарова

приведены

начальные

сведения

по

МГД-струям,

полученные

на

первой

стадии

изуче­

ния

этой

области

магнитной

гидродинамики.

В

этой

работе

я

пытался

возможно

полнее

отразить

состоя­

ние теории МГД-струй,

последовательность

этапов,

через

кото­

рые

прошло

развитие

теории,

методы

решения

конкретных

за­

дач.

Исключение

составляет

лишь материал

по

струям

(следам),

развивающимся

в

спутном

потоке,

подробное

рассмотрение

ко­

торого можно

найти

в

монографии

А.

Б.

Цинобера.

Здесь

я

ог­

раничился

лишь

перечислением

физических

явлений

и

ввел

не­

которые

задачи,

не

вошедшие

в упомянутую

книгу.

Если

бы,

однако,

цель

настоящей

работы

состояла

в

система­

тизации

результатов

теории

МГ Д-струй,

то пришлось

бы

ограни­

читься,

по

существу,

лишь

плоскими

течениями.

На

протяжении

всей

книги

я

старался

убедить

читателя,

что плоские

схемы

те­

чения

при

исследовании

МГД-процессов,

хотя

и

представляют

определенный

шаг вперед

по

сравнению

с

моделью

стержневого

режима

течения,

чаще

всего

далеки от реальности,

что в

магнит­

ной

гидродинамике,

как

ни

в

одном

из

разделов

гидродинамики

вообще,

пространственные

явления

в

подавляющем

большинстве

случаев

играют

решающую

роль.

Особенно

ясным

это

становится

при

попытках

моделирования

МГД-процессов

в

лабораторных

условиях.

В

связи

с

этим

в

книге

большое

внимание

уделяется

про­

странственным

течениям,

а

среди

последних

—

простейшим,

осе-

симметричным

течениям,

особая

привлекательность

которых

со­

стоит

в

возможности

получения

точных

решений

уравнений

Навье—Стокса—Максвелла

и

обоснования

на

их

базе

справед­

ливости

рассмотрения

струйных

задач

в

постановке

теории

по­

граничного

слоя.

Сложность

изучения

гидродинамических

явлений

в

МГД,

особенно

пространственных,

ставит

в

затруднение

инженеров,

занятых разработкой

различного

рода

МГД-устройств.

Не

отри­

цая

действительной

сложности

такого

рассмотрения,

я хотел бы

лишь

заметить,

что

именно

магнитной

гидродинамике

резко

не­

однородных

течений

присуще

многообразие

физических

явле­

ний,

которые

могут

лечь

в основу

разработки

принципиально

но­

вых

МГД-устройств.

Значение

приводимых

в

книге

экспериментальных

результа­

тов

не

ограничивается

подтверждением

высказанных

соображе­

ний

о

роли

пространственных

явлений,

эти

результаты

уже

сей­

час

могут

быть

использованы

и учтены

при

проектировании

жид-

кометаллических

контуров.

Кроме

того,

на

основе

проведенных

исследований

я

пытался

сформулировать

некоторые

практичес­

кие

задачи,

для

серьезной

разработки

которых

имеются

доста­

точно

полные

сведения

как

теоретического,

так

и

эксперимен­

тального

характера.

В главе

I настоящей

работы

приводятся

в

справочном

по­

рядке

основные

уравнения

и краевые'условия

магнитной

гидро­

динамики

несжимаемой

жидкости

и

некоторые

из

возможных

форм

уравнений

МГД-пограничного

слоя.

Главы

II—VI

посвя­

щены

теоретическому

анализу

закономерностей

струйных

тече-

ний

в

магнитном

поле

на

основе

точных

решений

(глава

II)

и

решений,

полученных

в

приближении

пограничного

слоя,

а

также

анализу

струй,

развивающихся

в

покоящейся

среде

(главы

III

и

IV)

ив

спутном

потоке

(главы

V и

VI).

Задачей

теоретической

части

работы

является

обобщение

уже

имеющихся

результатов

в

теории

неоднородных

течений,

разви­

тие этой

теории

и построение

на

ее

базе

общих

физических

пред­

ставлений

о

взаимодействии

поля

с неоднородными

скоростными

структурами.

Совершенно

естественно,

что

на

первых

порах

по­

строение

МГД-теории

базируется

на

основе

достижений

теории

немагнитных

течений.

Однако

уже

здесь

МГД-теория

должна

строиться

в несколько

более

общем

виде,

лишь

тогда она

сможет

•отразить

реальные

условия

течения.

Особое

внимание

в

работе

уделено

точным

решениям

в

маг­

нитной

гидродинамике,

так

как

именно

с их

помощью

(помимо

экспериментального

пути)

можно

проверить

справедливость

до­

пущений,

вводимых

при

приближенном

расчете.

К

сожалению,

случаи,

когда

течение

поддается

точному

расчету,

являются

до­

вольно

редкими,

поэтому

при

анализе

одного

из

классов

точных

решений

было обращено

внимание

на

расширение

возможностей

этого

класса

как

за

счет включения

в

него

новых

задач,

так

и

за

счет

рассмотрения

уже

известных

задач

в

магнитном

поле

раз­

личных

конфигураций.

В

целом

же

выбор

конкретных

задач

в

теоретической

части

работы определялся

либо

тем, что они

имеют

прямое

отношение

к решению

практических

(исследовательских

или

технологичес­

ких)

проблем,

либо

тем,

что

с

их

помощью

можно

продемонст­

рировать

особенности

того

или

иного

метода

расчета.

В

экспе­

риментальной

части

работы

(главы.

VII

и

VIII)

приводятся

при­

меры

скоростных

структур,

порождаемых

магнитным

полем,

и

обобщаются

имеющиеся

к

настоящему

времени

сведения

об

их

характеристиках.

Более

подробное

освещение

некоторых

при­

кладных

возможностей

магнитной

гидродинамики

неоднород­

ных

течений

дается

в

приложении.

Основной

материал

книги

получен

на

базе

исследований,

про­

веденных

в

лаборатории

магнитной

гидравлики

Института

фи­

зики

АН

Латвийской

ССР,

сотрудники

которой

в равной

мере

должны

считаться

соавторами

этой

книги.

Их

помощь

была

неоценимой

и

при

оформлении

рукописи.

Я

благодарен

также

Г.

Н.

Абрамовичу,

Н.

И.

Акатнову,

Э.

Я-

Блуму,

Д.

С.

Ковнеру,

Е.

Ю.

Красильникову,

О.

А.

Лиелаусису,

Ю.

А.

Михайлову,

А.

Б.

Циноберу,

которые

прочитали

рукопись

или

отдельные

ее

части

и сделали

ряд

ценных

замечаний,

способствовавших

улуч­

шению

книги.

Тем

не

менее

я

сознаю,

что книга

не

лишена

не­

достатков

и, вероятно,

даоке

ошибок,

поэтому

я

заранее

благо­

дарю

всех

тех,

кто

ознакомит

меня

со

своими

критическими

за­

мечаниями

и

пожеланиями.

Э. В.

ЩЕРБИНИН

тера,

можно

заметить, что в ней преимущественно

приводятся

результаты,

полученные

в предположении

(гласном

или неглас­

н о м ) ,

что

основными

М Г Д - э ф ф е к т а м и являются такие

наиболее

известные, как выравнивание (уплощение) поля скоростей и

по­

давление

турбулентных

пульсаций

в магнитном поле

[1—12]. В

то ж е

время

магнитная

гидродинамика резко неоднородных

те­

чений,

в том

числе течений, порождаемых самим магнитным

по­

л е м , не нашла сколько-нибудь полного и

систематического

от­

р а ж е н и я .

Такое положение объясняется, по-видимому, тем, что к тому

времени

(15—20

лет

н а з а д ) , когда

возникла потребность в

ис­

следованиях

по

магнитной гидродинамике,

физики

располагали

л и ш ь

несколькими

разрозненными

теоретическими

и

экспери­

ретическая работа

Г а р т м а н а [15], где было показано, что

магнит­

ное поле приводит

к уплощению эпюры скоростей между

двумя

нитных

расходомеров,

лагов и

т. п.), так и потребностями буду­

щего

(термоядерный

синтез,

М Г Д - п р е о б р а з о в а н и е энергии) .

Однако с самого начала исследований в этом

направлении

укре ­

пился взгляд на жидкую рабочую среду как

на фактор,

непри­

ятно усложняющий расчетную модель, поэтому основные

усилия

были

сосредоточены на электродинамической стороне расчетов,

а течение в устройстве принималось однородностержневым

(тем

более

что работы Гартмана и Л а з а р у с а д а в а л и для

этого доста­

точное

основание). Такой подход оказывается

оправданным,

когда

речь идет о

сравнительно маломощных устройствах.

П о ­

пытки

ж е перенести

эти представления на мощные

машины

при­

водят

к осложнениям, суть которых, в двух словах,

заключается

развития исследований достижение

первоначально

поставлен­

ных целей отодвигалось в неопределенное будущее. Но,

к а к

часто бывает, исследования, тем более

проведенные

с таким

р а з 1

этому

теперь,

когда а ж и о т а ж

вокруг магнитной

гидродинамики

резко

пошел

на убыль,

настало время

начать

разговор

о бли­

ж а й ш и х сферах приложения

результатов

у ж е

проведенных и

перспективах

дальнейших

исследований.

Попутно

с критиче­

ской оценкой

широко применяемой

ныне схемы

однородностерж -

невого течения в МГД - устройствах

мы коснемся

и этого

вопроса.

Как у ж е

говорилось,

в

вопросах

проектирования

М Г Д -

устройств преобладает

взгляд

на

поле

скоростей в

устройстве

ностях течения в магнитном

поле, не уделяется должного внима ­

ния. По нашему ж е

мнению, именно здесь кроются наиболее ши­

рокие возможности

магнитной гидродинамики, особенно магнит­

ной гидродинамики

резко

неоднородных течений, у ж е хотя бы