Файл: Щербинин Э.В. Струйные течения вязкой жидкости в магнитном поле.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 121
Скачиваний: 0
АКАДЕМИЯ НАУК
ЛАТВИЙСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ
Э. В. ЩЕРБИНИН
СТРУЙНЫЕ
ТЕЧЕНИЯ
ВЯЗКОЙ
ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗИНАТНЕ» РИГА 1973
р, 1
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 , ^ _ |
СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В Я З К О Й ж и д к о с т и В МАГНИТНОМ ПОЛЕ. Щербинин Э. В., Рига, «Зинатие», 1973, 304 стр.
Излагается обширный теоретический и экспери ментальный материал по магнитной гидродинамике резко неоднородных течений, основу которого со ставляют исследования, проведенные в Институте физики АН Латвийской ССР. Монография является первой в нашей стране книгой, в которой предпри нята попытка обобщить и систематизировать имею щийся в мировой литературе материал по МГДструйным течениям.
Обсуждаются некоторые прикладные аспекты МГД-неоднородных течений.
Табл. 4, илл. 143, библ. 212 назв.
Печатается по ' решению Редакционно-издательского совета Академии наук Латвийской ССР от 17 фев раля 1972 года
© Издательство «Зинатне», 1973
щ0-2-4-3-050 1-73 М8П(11)-73
П Р Е Д И С Л О В И Е
|
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 |
В В Е Д Е Н ИЕ
Если проследить за развитием исследований в магнитной гидродинамике н е с ж и м а е м о й ж и д к о с т и и отражением их результатов в литературе монографического и обзорного харак
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 |
ментальными работами (исключение составляли астрофизики, которые в своем распоряжении имели фундаментальный труд Альфвена [14]), из которых наибольшее внимание привлекла тео
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 |
п а р а л л е л ь н ы м и бесконечными стенками, и экспериментальная работа Г а р т м а н а и Л а з а р у с а [16], в которой для объяснения не которого снижения коэффициента сопротивления при МГД - те - чении в трубе была выдвинута гипотеза о подавлении турбулент ности магнитным полем.
Необходимость в МГД - исследованиях диктовалась и дикту ется как насущными потребностями настоящего (создание МГД - насосов для перекачки жидких металлов, конструирование приборов, основанных на появлении разности потенциалов при движении проводящей среды в магнитном поле, — электромаг
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) . |