Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 3

Показано, что в подобных задачах целесообразноиспользовать взаимно дополняющие друг друга методы физического иматематического моделирования, а их решение невозможно безусовершенствования существующих и развития новых методов измерений вжидких металлах скорости, давления и других физических параметров.Раздел I «Экспериментальные методы исследований и измерительнаяаппаратура», состоящий из введения (1.1), трех оригинальных глав (1.2 –1.4) и заключения (1.5), посвящен описанию измерительных средств иметодов, применяемых в диссертации.Во введении к разделу обосновывается использование, в основном,экспериментальных методов для решения задач, поставленных диссертации.9В главе 1.2 представлены результаты разработки и апробацииоригинальной волоконно-оптической методики измерения мгновеннойскорости потока жидкого металла.Проведенный анализ литературы показал, что на момент началаисследований в мире не существовало надежных количественных методовизмерения мгновенных значений скорости в жидкометаллическихтеплоносителях, даже при относительно низких (комнатных) температурах.Применение термоанемометра в жидких металлах сильно затруднено ввидунестабильности контактного сопротивления и сильной чувствительноститеплоотдачи к изменению температуры исследуемого потока, акондукционный анемометр практически непригоден для исследованияпотоков в сильноточных процессах.

Среди других типов измерительныхдатчиков одними из наиболее перспективных для исследования потоковрасплавов при комнатных температурах представляются механическиепреобразователи скорости с волоконно-оптической системой регистрацииперемещений 1, однако их метрологические характеристики изученынедостаточно полно.57а)б)Рис. 1.

Схема волоконно-оптического преобразователя скорости (а) и фотография егоизмерительной части. 1 – стеклянный конус (чувствительный элемент), 2 – указатель, 3, 7– световод, 4 – излучатель, 5 – фотоприемник, 6 – корпус.В диссертации подробно исследуются измерительные параметрыволоконно-оптических датчиков скорости потоков жидких металлов.Чувствительный элемент преобразователя (см. рис. 1) представляет собойполый стеклянный конус 1, плавно переходящий в цилиндрическоеоснование диаметром ~50 мкм в тонкой части и ~ 1 мм в толстой, при длинетонкой части 2 ÷ 3 мм.

В вершине конуса запаян указатель 2 (стекляннаяконсольная балка диаметром ~25 мкм), свободный конец которогорасполагается в зазоре между торцами двух пар перпендикулярнорасположенных подающих и приёмных световодов 3, 7, оптически связанныхс излучателем света 4 (светодиодом) и его фотоприемниками 5 –фотодиодами. Преобразователь работает следующим образом.

Поток1АС СССР № 684448. Двухкомпонентный оптико–механический датчик скорости /В.Г. Жилин, В.П. Огородников, В.В. Осипов // Открытия. Изобретения. 1979, № 33.10жидкости изгибает тонкую часть конуса, что приводит к перемещениюуказателя в пространстве между световодами и изменяет количество света,попадающее от излучателя по световодам в фотоприёмники. Таким образом,выходной электрический сигнал с фотоприёмников (Ux, Uy) оказываетсяфункционально связан с двумя составляющими скорости потока (wx, wy),набегающего на чувствительный элемент датчика.В диссертационной работе с помощью специально поставленныхэкспериментов показано, что выходные электрические сигналы с двухфотоприемников связаны с двумя составляющими скорости⃗соотношениями:(1)U  awn , U  bwn  1w ,xxyxyгде а, b и n – постоянные значения, определяемые из эксперимента.

На рис. 2представлен совместный график результатов приведенных калибровок,подтверждающий справедливость соотношений (1) при n = 1.77 длянескольких испытанных датчиков.В главе 1.2 описана специально разработанная лабораторная технологияизготовления волоконно-оптических преобразователей. Изготовление одногодатчика занимало 2 – 3 дня и состояло из нескольких этапов изготовленияотдельных стеклянных частей преобразователя и их сборки. Все операциипроводились с использованием оптических микроскопов и специальныхмикроманипуляторов. Сборка деталей датчика осуществлялась посредствомсплавления его стеклянных частей и эпоксидного клея.6Uy/wx0.77, усл.

ед.42321Wу*108, м/с01234246Рис. 2. Результаты обработки Рис. 3. Фотография датчика скоростисовместно с блоком формированияопытных данных по формуле (1).сигнала.На основе соотношений (1) был разработан и изготовлен аналоговыйприбор, фотография которого, совместно с зондом волоконно-оптическогопреобразователя представлена на рис. 3.ОсновныепараметрыХарактеристики датчика скоростиразработанныхволоДиапазон измерения скорости (в0.5÷50конно-оптическихдатпересчете на поток ртути), см/счиков скорости, метроЧастотный диапазон, Гц<200логические характеристиИзмерительный объем, мм30.05×0.05×1ки которых были изученыТемпературный диапазон, 0С5 ÷ 95посредством специально11проведенных исследований, представлены в таблице.

Было такжеустановлено, что при значениях безразмерного параметра электромагнитноговзаимодействия N = σB2D/ ρw < 0.05 (здесь σ и ρ – коэффициентэлектропроводности и плотность жидкости, В – индукция магнитного поля, D– диаметр чувствительного элемента, w– скорость набегающего потока) ипри плотности электрического тока j ≤ 107А/м2 (значение, характерное дляэлектрошлаковых технологий) электрические и магнитные поля не влияют напоказания подобных преобразователей.1.0532W/Wm7181234560.84690.6Z0BWX0.4YII10W11120.2увеличеноZ/Z0.5а)0123б)Рис.

4. Исследование МГД - обтекания цилиндра. (а) – схема опытного участка иосновных измерений. 1 – вольтметр; 2 – осциллограф; 3 – блок обработки сигнала; 4 –источник питания; 5, 6, 7 – частотомеры; 8 – волоконно-оптический преобразовательскорости; 9, 10 – координатные устройства, 11 – цилиндр; 12 – хонейкомб. (б) –относительный профиль дефекта скорости в следе за цилиндром.

1- x/d = 2.1; 2 – 10.5; 3 –12.5; 4 – 14.5; 5 – 24; линия 6 – теория. Светлые точки В = 0; темные точки – 0.6 Тл.Возможность применения волоконно-оптических преобразователейскорости и разработанной вторичной аппаратуры для изучения потоковжидких металлов была проверена экспериментально. В опытахисследовалось поперечное МГД - обтекание потоком ртути цилиндра, оськоторого параллельна направлению магнитного поля.

Схема, поясняющаяпроведение эксперимента, представлена на рис. 4а. Выбор подобной задачиобусловлен необходимостью сопоставления результатов, полученных спомощью волоконно-оптического преобразователя скорости, с достовернымиданными известных экспериментов и теоретических зависимостей, а также еенаучно-практическойважностьюдляисследователейдвумернойтурбулентности и разработчиков бланкетов термоядерных реакторов.Полученные результаты по обтеканию цилиндра, согласующиеся стеоретической зависимостью (см. рис.

4б), подтвердили работоспособностьразработанной методики измерений скорости. Также был обнаружен рядновых физических эффектов, свидетельствующих, в частности, об изменениигенерации вихрей за поперечно-обтекаемым цилиндром под действиеммагнитного поля, совпадающего по направлению с осью цилиндра, и егоразнонаправленном влиянии на процесс теплообмена. Ранее предполагалось,что подобное воздействие отсутствует.12В заключительной части главы отмечается, что, разработанная вдиссертации волоконно-оптическая методика определения скоростииспользовалась в ряде работ европейских исследователей для измеренияосредненных характеристик потоков низкотемпературных расплавов.

Однакоприменяемые в них измерительные преобразователи скорости имелизначительные размеры чувствительных элементов (несколько миллиметров),что ограничивало их применение для изучения тонкой турбулентнойструктуры жидкометаллических течений. Схожими недостатками обладаютультразвуковые методы исследования полей скорости, которые в настоящеевремя преобладают в экспериментальных исследованиях. Разработанная иприменяемая в датчиках скорости волоконно-оптическая системапреобразования измерения малых перемещений была также использованадля решения важной прикладной задачи – создания прибора для постоянногомониторинга диаметра и эллипсности тонких проволок в непрерывномпроцессе их промышленного производства.Глава 1.3 посвящена, в основном, описанию применяемых вдиссертационной работе измерителей давления.

Проведенный анализлитературы по датчикам давления свидетельствует о многообразии способовизмерения данной величины. Отмечается, что пьезоэлектрические датчикиявляются наиболее приспособленными для решения задач, связанных сизучением взрывных процессов при фрагментации расплава и смене режимовкипения охладителя. Эти преобразователи обладают достаточнойчувствительностью, имеют малые габаритные размеры и позволяют измерятьвысокочастотные (~ 1 МГц) пульсации давления. Вместе с темпьезоэлектрическим датчикам присущ ряд недостатков, связанных струдностями при исследовании низкочастотных сигналов и измерениях вусловиях воздействия электромагнитных помех и тепловых возмущений.Наиболее пригодными для измерения давления при воздействии внешнихэлектромагнитных полей, представляются датчики, основанные наволоконной оптике.