Способ тепловой защиты

 

Использование: в магнитной газодинамике и может быть применено для тепловой защиты стенок МГД-генераторов и внешних поверхностей летательных аппаратов, движущихся в атмосфере с гиперзвуковой скоростью. Сущность: способ тепловой защиты поверхности от высокотемпературного проводящего потока заключается в наложении на высокотемпературный проводящий поток внешнего магнитного поля, которое приводят в движение в направлении, противоположном потоку, что позволяет увеличивать электромагнитное воздействие на проводящий поток, компенсируя малые проводимость и скорость потока, а также малую индукцию наложенного на поток магнитного поля. 2 ил.

Изобретение относится к магнитной гидродинамике и может быть использовано для тепловой защиты стенок МГД-генераторов и внешних поверхностей летательных аппаратов, движущихся в атмосфере с гиперзвуковой скоростью.

Известны способы тепловой защиты поверхностей от воздействия тепловых потоков (например, а.с. СССР N 183407, кл. G 12 B 17/06, 1966). В указанном способе с целью улучшения теплоизоляции прибор помещается в вакуумированный резервуар. Недостатком способа является трудность создания вакуумированных объемов при больших габаритах объекта.

Известны также способы тепловой защиты объектов путем нанесения на их поверхность теплозащитных покрытий (см. Ю.В.Полежаев, Ф.Б.Юревич. Тепловая защита. М.: Энергия, 1976). Недостатком способа является значительный износ и необходимость возобновления покрытий в условиях больших температур и скоростей обтекающих потоков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ тепловой защиты поверхности от высокотемпературного проводящего потока при помощи магнитного поля.

Сущность известного способа заключается в том, что проводящий высокотемпературный поток, обтекающий поверхность, помещают в магнитное поле, которое неподвижно относительно защищаемой поверхности и вектор которого нормален к потоку и поверхности.

Недостатком способа является низкая его эффективность в случаях малой проводимости потока или при малых значениях индукций магнитного поля.

Целью изобретения является снижение тепловых потоков в проводящем слое в присутствии внешнего магнитного поля путем увеличения параметра магнитного взаимодействия (числа Стюарта).

Цель достигается тем, что для заданных параметров потока и поля рассчитывают число Стюарта, а затем магнитное поле приводят в движение в направлении, противоположном потоку, со скоростью, обеспечивающей значение числа Стюарта в пределах 1 < St < 2, при этом скорость движения магнитного поля относительно поверхности рассчитывается по формуле V^мп = V_о (n-1), а в случае электрического перемещения магнитного поля частота питающего напряжения выбирается из условия f = , где V_о - скорость потока; Р - полюсное деление; n - число, показывающее, во сколько раз требуется увеличить число Стюарта для выполнения условия 1 < St < 2.

На фиг.1 представлена схема, иллюстрирующая физическую сущность предлагаемого технического решения, где 1 - обтекаемая поверхность, 2 - подвижный источник магнитного поля, V_о - скорость потока относительно поверхности, V^мп - скорость магнитного поля относительно поверхности, В - линия индукции магнитного поля.

На фиг.2 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ при помощи электрической машины, где Р - полюсное деление. Остальные обозначения как на фиг.1.

В случае использования постоянных магнитов (2) последние, размещаясь под поверхностью 1, помещаются на подвижные механизмы, приводимые в движение при помощи двигателей.

Теоретическое обоснование предлагаемого способа заключается в следующем. Известно, что увеличение индукции внешнего магнитного поля приводит к снижению тепловых потоков в проводящем пограничном слое. Причем это снижение пропорционально величине параметра магнитного взаимодействия (числам Стюарта), выражающим отношение сил электромагнитного взаимодействия к силам инерции St = , (1) где - проводимость потока; В - индукция внешнего магнитного поля; L - характерный размер; - плотность среды;
V - скорость потока относительно поверхности.

Магнитное поле при этом предполагается неподвижным относительно поверхности. Таким образом снижение тепловых потоков тем более существеннее, чем больше число Стюарта. Следовательно, для эффективного воздействия на поток число Стюарта необходимо поддерживать возможно большим. Очевидно, что при малых значениях входящих в выражение (1) величин, при условии неподвижности магнитного поля, выполнить это требование невозможно.

Умножим числитель и знаменатель выражения (1) на V:
St = . (2)
Тогда числитель формулы (2) в явном виде содержит величину удельной электромагнитной силы F = j B, действующей на поток и умноженной на характерный размер
F_эм= V B², (3) а знаменатель - удвоенную силу инерции
F_ин = V² . (4)
Причем, если величина силы инерции (4) зависит от абсолютного значения скорости, то электромагнитная сила (3) зависит только от относительной скорости взаимного перемещения потока и магнитного поля. Если эта скорость будет равна нулю, то, независимо от скорости потока, электромагнитная сила также будет равна нулю.

Приведем теперь магнитное поле в движение, встречное по отношению к потоку. Введем обозначения:
V_о - скорость потока относительно поверхности;
V_мп - скорость перемещения магнитного поля относительно поверхности;
V¹ - скорость магнитного поля относительно потока.

Тогда скорость магнитного поля относительно потока определится из формулы
V¹ = V_o + V^мп. (5)
Для случая неподвижного поля можно записать
V¹ = V_o = V (6) и формула (1) в этом случае справедлива. Если же магнитное поле приведено в движение, то равенство (6) нарушается и формулы (3) и (1) должны быть записаны в виде
F_эм= V¹ B² , (7)
St^d = = , (8) где St^d - динамическое, то есть вычисленное для случая подвижного магнитного поля, число Стюарта.

Из выражения (8) следует, что снижение проводимости потока или его скорости в n раз может быть скомпенсировано увеличением в n раз скорости V¹. Очевидно, снижение индукции при этом возможно в раз.

Обозначим
n = = 1+ , (9) откуда
V^мп = V_o(n - 1). (10)
Коэффициент n показывает, во сколько раз изменится (увеличится) число Стюарта после приведения магнитного поля в движение:
n = = = 1 + ; (11)
n = = 1 + (12) или
St^d = nSt; St^d = St 1 + , (12')
Такой же результат можно получить, если выражение (9) подставить в выражение (8):
St^d = = nSt.

Из выражения (12) следует, что возрастание числа Стюарта тем больше, чем больше отношение . В частности, при V^мп=V_о число Стюарта удваивается. Отсюда следует, что для эффективного воздействия на поток его скорость и скорость движущегося магнитного поля должны быть соизмеримы по величине.

Определим величину числа Стюарта, при котором воздействие магнитного поля на пограничный слой наиболее эффективно снижает в нем тепловые потоки. Из формулы следует, что
St = S₁, где St - число Стюарта;
S₁ - параметр магнитного взаимодействия;
Т_w - температура поверхности;
T_s - температура потока.

Поскольку отношение лежит в пределах 3-5, то для оценочных расчетов допустимо величину принять равной единице. В этом случае St S₁. Следовательно, требуемое для эффективного снижения тепловых потоков число Стюарта лежит в пределах
1 < St < 2.

Принцип реализации предлагаемого способа показан на фиг.1. Механическое перемещение магнитного поля сопряжено со значительными трудностями, поэтому перемещение магнитного поля целесообразно обеспечить электрически. Это можно сделать подобно тому, как это делается в известных модификациях линейных электродвигателей - машинах с поперечным магнитным сердечником.

Скорость перемещения магнитного поля в электрических машинах
V^мп = 2Рf, (13) где f - частота электрического тока, питающего машину;
Р - полюсное деление электрической машины.

Предположим, что проводимость потока снизилась в n раз. Определим, какой частотой необходимо в этом случае питать машину, чтобы число Стюарта осталось неизменным. Подставив (13) в (10), получим:
2Pf = V_o(n - 1). (14) Откуда
f = . (15)
Таким образом сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Расчетным или экспериментальным путем определяют параметры потока: проводимость и скорость, а также индукцию внешнего магнитного поля. По этим данным рассчитывается число Стюарта. Далее по известным графическим зависимостям определяют снижение теплового потока, соответствующее данному числу Стюарта. В случае необходимости увеличить значение числа Стюарта одним из указанных способов по приведенным зависимостям приводят в движение магнитное поле со скоростью, необходимой для получения требуемой величины параметра магнитного взаимодействия.

Пример численного расчета. Пусть число Стюарта необходимо увеличить в n раз при следующих исходных данных:
f = 50, 500, 5000 1м/с1, Р = 1м, n = 2.

Определим частоты, которые должен иметь ток в обмотках электрической машины. Для этого воспользуемся формулой (13)
f₁ = = 25 Гц;
f₂ = = 250 Гц;
f₃ = = 2500 Гц.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ поверхности от высокотемпературного проводящего потока, заключающийся в наложении на высокотемпературный проводящий поток внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью снижения тепловых потоков в их пограничном слое, внешнее магнитное поле приводят в движение в направлении, противопложном высокотемпературному проводящему потоку со скоростью, определяемой из соотношения
U - 1 < U^МП < U - 1,,
где U₀ - скорость высокотемпературного проводящего потока;
U^мп - скорость перемещения магнитного поля;
- плотность высокотемпературного проводящего потока;
- электропроводность высокотемпературного проводящего потока;
B - магнитная индукция внешнего магнитного поля;
L - характерный размер защищаемой поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2