Математическая модель течения двухфазной электропроводящей жидкости в тракте МГД-генератора специального назначения

11
views

В рамках разработки инновационного МГД-устройства специального назначения нами решена задача по математическому моделированию течения двуфазной электропроводящей жидкости во внешнем однородном постоянном магнитном поле, которое направлено поперёк потока жидкости в рабочей камере индукционного МГД – устройства.  В качестве рабочей камеры был взят идеальный без шероховатостей цилиндрический канал конечной длины с непроводящими стенками,  имеющий в своей центральной части плавное осесимметричное расширение. Наложенное магнитного поля создает специфичный поток рабочей жидкости в рассматриваемой системе при высоком уровне электромеханического преобразования энергии и производит эффективное разделение фаз рабочей жидкости благодаря их различной электрической проводимости.

Схематическое представление рабочей камеры МГД – устройства

Из проведенного анализа показана принципиальная возможность создания новых высокоэффективных МГД – устройств индукционного типа со слабо проводящей двухфазной рабочей средой на основе постоянных магнитных полей для применения в научных и технических приложениях.

Вычисления проводились на нерегулярной трехмерной гексаэдральной расчетной сетке, сгенерированной с помощью программного комплекса GAMBIT 2.3.16 [86] и содержащей 440428 расчетных ячеек. Задача была смоделирована с помощью метода конечных объемов на вычислительном комплексе FLUENT 6.3.26 [86]. Здесь была использована неявная дискретизация первого порядка по времени с пространственной дискретизацией по противопоточной схеме второго порядка точности. Сопряжение полей скорости и давления было произведено с помощью стандартной SIMPLE – процедуры.

Физика рассматриваемых явлений

Как отмечалось во втором параграфе 3-ей главы взаимное пространственное  расположение индуцированных электрических токов и силы Лоренца в постоянном поперечном однородном магниитном поле, наложенном на стационарный поток жидкости в рабочей камере МГД – устройства имеет ряд характерных особенностей (см. рис. 2.3.1). Здесь наложенное поле вызывает силу Лоренца, которая приводит в равновесное движение анионы и катионы в жидкости. При этом индуцированный поток заряженных частиц в жидкости имеет вид двух разнонаправленных контуров с замкнутыми вихревыми электрическими токами, протекающими в поперечном сечении канала. Эти токи, находясь во внешнем магнитном поле, создают силу Лоренца, действующую на поток жидкости. В результате сила Лоренца действует на поток жидкости вдоль оси  вблизи тех точек стенки канала, где вектор внешнего магнитного поля пересекает стенку канала под прямым углом и тормозит жидкость в центральной части канала.

Линии тока рабочей жидкости в рабочей камере, при скорости на входе  0.02 м/с без наложенного магнитного поля (слева) и при напряженности внешнего магнитного поля в 20 Тл (справа).

Векторы индуцированных электрических токов J в центральной плоскости поперечного сечения камеры при скорости на входе  0.02 м/с и напряженности внешнего магнитного поля в 20 Тл.

Объемная плотность одной из фракций при 20 Тесла

Полученный результат указывает на возможность применения постоянных магнитных полей для эффективного разделения многофазных жидкостей в сдвиговом потоке и может быть использован для создания новых МГД-устройств для разделения многофазных электропроводящих жидких сред.