Влияние локализованных переменных магнитных полей на течение жидкого металла

Аннотация

В металлургии и энергетике жидкий металл используется в качестве теплоносителя, поэтому необходимо точно измерять текущие характеристики потока жидкого металла, поскольку они определяют режимы работы установок. Цель работы --- экспериментальное изучение локальных течений, которые возникают в жидком металле под действием электромагнитных сил, для оценки их вклада в общий процесс измерения расхода. Проведено исследование колебаний вихревого течения жидкого металла в плоском слое, которое создано электромагнитными силами. Структура течения зависит от частоты питающего индуктор тока. Интенсивность течения определяется силой тока: чем выше ток, тем интенсивнее течение. Определено пороговое значение частоты тока, при превышении которого в системе увеличивается число вихрей, а число Рейнольдса достигает более 3 000. Это позволяет утверждать, что течение имеет турбулентный характер. При меньшей частоте тока структура течения представляет собой одиночный крупномасштабный полоидальный вихрь. Выбраны параметры частоты тока до 75 Гц и силы тока до 8 А, обеспечивающие корректность работы измерительной системы. В этом случае вихревое течение обладает умеренной интенсивностью, что не оказывает негативное воздействие на точность измерения расхода

Работа выполнена в рамках государственного задания (рег. № 122030200191-9)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Озерных В.С., Колесниченко И.В. Влияние локализованных переменных магнитных полей на течение жидкого металла. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 2 (119), с. 4--19. EDN: HGJGYA

Литература

[1] Eckert S., Cramer A., Gerbeth G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. In: Magnetohydrodynamics. Fluid Mechanics and Its Applications, vol. 80. Dordrecht, Springer, 2007, pp. 275--294. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-4833-3_17

[2] Шерклиф Д. Теория электромагнитного измерения расхода. М., Мир, 1965.

[3] Fisher A.E., Kolemen E., Hvasta M.G. Experimental demonstration of hydraulic jump control in liquid metal channel flow using Lorentz force. Phys. Fluids, 2018, vol. 30, iss. 6, art. 067104. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5026993

[4] Thess A., Votyakov E.V., Kolesnikov Y. Lorentz force velocimetry. Phys. Rev. Lett., 2006, vol. 96, iss. 16, art. 164501. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.164501

[5] von Weissenfluh T. Probes for local velocity and temperature measurements in liquid metal flow. Int. J. Heat Mass Transf., 1985, vol. 28, iss. 8, pp. 1563--1574. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(85)90258-3

[6] Schulenberg T., Stieglitz R. Flow measurement techniques in heavy liquid metals. Nucl. Eng. Des., 2010, vol. 240, iss. 9, pp. 2077--2087. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2009.11.017

[7] Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М., Наука, 1970.

[8] Adamovskii L.A., Golovanov V.V., Inkin Yu.N., et al. Calibration of nonlinear magnetic flowmeters in the sodium circuits of fast power reactors. At. Energy, 1987, vol. 62, no. 2, pp. 145--148. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01123670

[9] Belyaev I.A., Razuvanov N.G., Sviridov V.G., et al. Temperature correlation velocimetry technique in liquid metals. Flow Meas. Inst., 2017, vol. 55, pp. 37--43. DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.05.004

[10] Архипов В.М. Техника работы с натрием на АЭС. М., Энергоатомиздат, 1986.

[11] Лиелпетер Ю. Индукционные МГД машины для жидкого металла. Рига, Зинатне, 1969.

[12] Кузнецов И., Поплавский В. Безопасность АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. М., ИздАт, 2012.

[13] Timofeev V.N., Khatsayuk M.Y. Theoretical design fundamentals for MHD stirrers for molten metals. Magnetohydrodynamics, 2016, vol. 52, no. 4, pp. 495--506.

[14] Боришанский В., Кутателадзе С., Новиков И. и др. Жидкометаллические теплоносители. М., Атомиздат, 1967.

[15] Ratajczak M., Hernandez D., Richter T., et al. Measurement techniques for liquid metals. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2017, vol. 228, art. 012023. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/228/1/012023

[16] Forbriger J., Stefani F. Transient eddy current flow metering. Meas. Sci. Technol., 2015, vol. 26, no. 10, art. 105303. DOI: https://doi.org/10.1088/0957-0233/26/10/105303

[17] Priede J., Buchenau D., Gerbeth G. Force-free and contactless sensor for electro-magnetic flowrate measurements. Magnetohydrodynamics, 2009, vol. 45, no. 3, pp. 451--458.

[18] Kumar M., Tordjeman P., Bergez W., et al. Towards quantitative void fraction measurement with an eddy current flowmeter for fourth generation sodium cooled fast reactors: a simplified model. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2016, vol. 63, iss. 3, pp. 1471--1476. DOI: https://doi.org/10.1109/TNS.2016.2542191

[19] Priede J., Buchenau D., Gerbeth G. Contactless electromagnetic phase-shift flowmeter for liquid metals. Meas. Sci. Technol., 2011, vol. 22, no. 5, art. 055402. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0957-0233/22/5/055402

[20] Kolesnichenko I., Khalilov R., Khripchenko S. Vortical flow of conducting fluid driven by an alternating magnetic field in a plane channel. Magnetohydrodynamics, 2007, vol. 43, no. 1, pp. 45--52.

[21] Лосев Г.Л., Халилов Р.И., Колесниченко И.В. Экспериментальное исследование характеристик течения жидкого металла, вызванного переменным магнитным полем. Вестник Пермского университета. Физика, 2017, № 4, с. 11--18. DOI: https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-4-11-18

[22] Losev G., Kolesnichenko I. Structure of MHD vortex flows in a thin layer of liquid metal. Magnetohydrodynamics, 2019, vol. 55, no. 1-2, pp. 97--106.

[23] Losev G., Khalilov R., Kolesnichenko I. UDV study of a liquid metal vortex flow. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2017, vol. 208, art. 012022. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012022

[24] Losev G., Kolesnichenko I. The influence of the waveguide on the quality of measurements with ultrasonic Doppler velocimetry. Flow Meas. Inst., 2020, vol. 75, art. 101786. DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2020.101786

[25] Brito D., Nataf H., Cardin P., et al. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids, 2001, vol. 31, no. 6, pp. 653--663. DOI: https://doi.org/10.1007/s003480100312

[26] Nowak M. Wall shear stress measurement in a turbulent pipe flow using ultra-sound Doppler velocimetry. Exp. Fluids, 2002, vol. 33, no. 2, pp. 249--255. DOI: https://doi.org/10.1007/s00348-002-0407-x

[27] Kolesnichenko I., Pavlinov A., Golbraikh E., et al. The study of turbulence in MHD flow generated by rotating and traveling magnetic fields. Exp. Fluids, 2015, vol. 56, no. 5, art. 88. DOI: https://doi.org/10.1007/s00348-015-1957-z

[28] Фрик П.Г. Турбулентность: подходы и модели. М., Ижевск, Регулярная и хаотическая динамика, 2010.

[29] Mallat S. A wavelet tour of signal processing. Academic Press, 2008.

[30] Озерных В.С., Лосев Г.Л., Голбрайх Е. и др. Начальная стадия формирования вихревого течения в индукторе с вращающимися встречно магнитными полями. Вычислительная механика сплошных сред, 2024, т. 16, № 4, с. 493--503. DOI: https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.4.41

[31] Frick P., Mandrykin S., Eltischev V., et al. Electro-vortex flows in a cylindrical cell under axial magnetic field. J. Fluid Mech., 2022, vol. 949, art. A20. DOI: https://doi.org/10.1017/jfm.2022.746