Диссертация (1145244), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Была найдена глубокая аналогиямежду обтеканием тел и обтеканием локальных сопротивлений, шероховатостей.Многочисленные эксперименты подтвердили увеличение сопротивления труб, покрытых искусственной шероховатостью при наличии поперечного магнитногополя. Теоретический анализ, учитывающий шероховатость, основывался главнымобразом на полуэмпирической теории Прандтля.В другом центре – Институте физики АН Латвии (Г.Г.
Брановер, А.Б. Цинобер, Я.Я. Лиелпетер, Б.Я. Гуревич, Э.В. Щербинин, А.Г. Штерн, Ю.М. Колесников,Ю.М. Гельфгат, Н.М. Слюсарев, Х.Э. Калис и другие исследователи) в семидесятых– восьмидесятых годах прошлого столетия – основным направлением было изучение МГД–эффектов при течении жидких металлов в слабых и сильных магнитных полях поскольку считался перспективным переход на жидкометаллическиетеплоносители в атомных реакторах.
Заметим, что основополагающие идеи этогонаправления развивались под руководством А.П. Александрова в Курчатовскоминституте. Кроме того, изучалось самовозбуждение магнитного поля под руководством И.М. Кирко. Большой цикл работ по газодинамической стабилизации электродуговых подогревателей газа проводился в институтах СО АН СССР под руководством М.Ф. Жукова. Численное моделирование разнообразных МГД–потоковпроводилось в институте высоких температур (ИВТ) АН СССР. За рубежом на пер-7вый план в середине прошлого столетия выдвинулись задачи космической электродинамики. В основном они касались поведения заряженных частиц в магнитныхполях.
Определенным толчков к возникновению этой тематики была введенная Дж.Лармором концепция «динамо». В этой связи большое значение приобретает теория гидродинамического «динамо», служащая для объяснения эффектов усиленияи поддержания магнитных полей, обусловленных движением проводящей среды.Основополагающие работы в этом направлении принадлежат Гейзенбергу, Паркеру и Каулингу. В нашей стране в этом направлении активно работали Я.Б Зельдович, С.И.
Брагинский, С.И. Сыроватский, Г.А. Любимов, А.Г. Куликовский.Проблемами земного «динамо», объяснение магнитного поля Земли, занималисьБуллард и Эльзассер, последний ввел магнитное число Рейнольдса по аналогии сгидродинамическим. В 70-е годы прошлого века Штеенбек, Краузе и Рэдлер опубликовали цикл работ по турбулентному «динамо», которое является примером взаимодействия гидродинамического и магнитного полей, носящий ярко выраженныйнелинейный характер. Важным этапом моделирования МГД–пограничных слоевстало использование дифференциальных моделей турбулентности, вместо алгебраических моделей. Одной из интересных задач, не до конца изученной до сих пор,было исследование ослабления (подавления) турбулентности продольным магнитным полем.Нелинейный характер уравнений магнитной гидродинамики позволяет получать аналитические решения только в редких частных случаях. Нестационарныезадачи подробно исследованы лишь в одномерной постановке движения невязкойпроводящей среды – К.П.
Станюкович, С.А. Каплан, С.Б. Пикельнер. Целый рядзадач решался в линейном приближении путем изучения поведения небольших отклонений от заданного состояния (Чандрассекар, Коулинг, Шварцшильд). Трудности в поиске аналитических решений гидродинамических задач и неотложные задачи практики сделали весьма привлекательным численное моделирование. Численные методы позволяют составить математическую модель и провести числен-8ное моделирование практически для любой задачи. До недавнего времени для проведения практических расчетов необходимо было написать и отладить программу.Это требовало значительных затрат времени и усилий. Ситуация изменилась вкорне в связи с прогрессом в вычислительной технике и появлению пакетов прикладных программ, которые позволяют к основному «ядру» подключать свои собственные модули.
Теперь нет необходимости писать свою собственную программу,достаточно выбрать адекватный вычислительный инструмент и научиться его осознанно применять. Из существующих в настоящей работе нами был выбран гидродинамический модуль комплекса ANSYS (по праву считающейся своего рода «тяжеловесом») – ANSYS.CFX. Междисциплинарная направленность комплексаANSYS позволяет ставить и решать задачи численного моделирования в различныхобластях науки и техники – строительная механика, гидро- и аэромеханика, теплои массообмен, электромагнетизм и др., включая сопряженные (гидроупругость,термопрочность и т.п.).
К настоящему времени накоплен богатый опытиспользования этого комплекса. В частности, это относится к расчету параметровмагнитныхсистем,моделированиюэлектрическихаппаратов,радиоэлектронныхсхем,низко – и высокочастотных проявлений электромагнетизма.Однако расчет магнитогидродинамических течений стал возможным сравнительнонедавно (2005–2006 гг.) с появлением специального модуля MHD, который есть какв CFX, так и ещё в одном гидродинамическом модуле – FLUENTе.
Использованиепоявившихсямоделированиивозможностейпотоковвнашлосвоеалюминиевыхприменение,вэлектролизерах,основном,что,придиктуетсяпотребностями практики. Однако этот мощный инструмент можно использоватьзначительно шире и не ограничиваться только решением практических задач, но ииспользовать его в исследовательских целях.В этом плане важно изучениемакроскопических движений морской воды (проводящей жидкости), находящейсяв магнитном поле Земли, которые сопровождаются появлением электрическихтоков и, как следствие, индуцированного магнитного поля. Глубокий интерес кморским электромагнитным исследованиям возник с начала 60-х годов прошлогостолетия. Актуальность темы обусловлена необходимостью изучения Мирового9океана, играющего все большую роль в жизни человечества.
Это способствовалоначалу теоретических и экспериментальных исследований электромагнитныхполей от разнообразных морских и океанских источников. По совокупностиполученных результатов следует отметить отечественных ученых внесшихсущественный вклад в указанный круг проблем, таких как В.М. Конторович, М. Н.Бердичевский, Л.Л. Ваньян, В.И. Дмитриев, Б.С. Светов, А.Г.
Кравцов, Г.В.Соколов, Б.Е. Мардерфельд, С.М. Коротаев, И.Л. Трофимов, Р.Г. Скрынников,Л.М. Абрамова, В.Ю. Семенов, А.Б Лейбо, Ю.Б. Шауб , В.И. Белоконь, В.В. Жмур,Г.А. Бурцев, В.Н. Митрофанов, В.В. Сочельников и зарубежных – Е.С. Буллард,Дж. Филлоу, X. Хоббс, Дж. С. Ларсен, У. Подни. Возможность определенияхарактеристик движения морской среды по её электромагнитному полю являетсяодной из основных комплексных задач морской электродинамики. В этой связи,измерения и вычисления индуцированного электромагнитного поля, носят какфундаментальный, так и сугубо прикладной аспект в современных геофизическихисследованиях. В частности, весьма насущна проблема определения параметровискусственного источника волн, по электромагнитному эффекту вызванного имволнения.Внастоящеевремязадачаопределенияиндуцированногоэлектромагнитного поля естественным образом распадается на две части:определение поля скоростей волнения и нахождение по заданному полю скоростейэлектромагнитного возмущения.
При этом скорость движения среды находят илииз результатов натурных наблюдений, или из решения гидродинамической задачи,в которой жидкость считают несжимаемой и невязкой. Кроме того, теоретическиерасчеты индуцированных электромагнитных полей течений основаны, главнымобразом, на модельных построениях течений, таких, как модель Стомелла, Экманаи др. Главные особенности этих моделей состоят в том, что скорость течениясодержит только горизонтальные компоненты, рассматриваются течения конечнойили бесконечной ширины, закон изменения скорости поперек течения задаетсяопределенной аналитической функцией (косинус и т.п.).
Описанный подходпредставляетсобойдекомпозициюзадачинагидродинамическуюи10электродинамическую части. Именно им следуют большинство исследователей, невсегда корректно его обосновывая.Электромагнитные поля могут с одной стороны оказаться помехой припроведении магнитной съёмки и электроразведочных работ в акватории моря, сдругой стороны – можно предположить, что индуцированные поля течений и волннесут информацию о морском геоэлектрическом разрезе, а это очень важно дляизучения физических характеристик донных пород, в частности электрическойпроводимости подстилающей поверхности шельфа.
В морской геологоразведкеосновнымиметодамиэкспериментальныхисследованийявляютсямагнитотеллурическое и магнитовариационное зондирование, теоретическиеработы, в основном, носят приближённый и оценочный характер. В этой связиприменение комплекса ANSYS, как современной технологии математическогомоделирования, наделенного новыми возможностями, могло бы позволить ставитьи решать многие комплексные научные и технические задачи морской гео- игидрофизики, среди которых особенно актуальны в настоящее время следующие:создание электромагнитных систем связи; навигация подводных аппаратов; поискполезных ископаемых на дне морей и океанов в том числе в пределах береговогошельфа; создание аппаратуры для изучения и измерения электрического имагнитного полей в воде; исследование электрических явлений в море дляопределенияихсвязисдругимифизическимипроцессами;изучениемагнитогидродинамических процессов, возникающих из-за движения морскойводы в магнитном поле Земли и многие другие.
Однако такие исследования внастоящее время отсутствуют. Данная работа, направленная на изучениевзаимодействия гидродинамического и электромагнитного полей с помощьюмодуля ANSYS.CFX, в определенной мере восполняет указанный пробел.Максимальныйэффектвзаимодействиядостигаетсяпривзаимнойперпендикулярности векторов скорости потока и индукции магнитного поля.Поэтому в работе рассмотрены МГД–течения, соответствующиетакомурасположению векторов. В наиболее общем случае таких вариантов два – линейное11магнитное поле при круговом движении проводящей жидкости, а такжетороидальное магнитноеполеприпрямолинейном движениижидкости.Возникающие при этом эффекты существенно нелинейны.
Понять их механизмы –как правило в отсутствии достоверных натурных наблюдений – возможно толькоиз решения соответстующих уравнений. Точные аналитические решениядифференциальных уравнеий продолжают играть огромную роль в формированииправильного понимания изучаемых явлений и процессов, именно они позволяютопределить области изменения характерных параметров, при которых возможны теили иные существенные эффекты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
