Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 4

В диссертации описаны конструкции оригинальныхволоконно-оптических мембранных датчиков давления, изготовленных изметалла(нержавеющаясталь,тантал),атакжерезультатыэкспериментальных и теоретических исследований их основныхметрологических характеристик. Показано, что по своим геометрическимразмерам, чувствительности и динамическому диапазону разработанныепреобразователи не уступают мембранным датчикам других типов, а слабаязависимость показаний от электромагнитных полей и возможность ихизготовления самостоятельно с требуемыми характеристиками влабораторных условиях значительно упрощает проведение исследований.Основными элементами конструкции преобразователя являются (см. рис.5): танталовая мембрана, приваренная к корпусу из нержавеющей стали, атакже волоконно-оптический жгут, составленный из хаотично уложенныхосветительных и приемных светопроводов. Диаметр отдельногосветопровода 25 мкм.

Два раздельных жгута, состоящие из осветительных и13приемных светопроводов, своими торцевыми концами оптически связаны,соответственно, со светодиодом и фотодиодом. Другой общий торцевойконец жгута, включающий совместно перемешанные осветительные иприемные светопроводы, расположен и закреплен вблизи мембраны внутрикорпуса датчика. Датчик работает следующим образом. От светодиодаизлучение по осветительным световодам попадает на мембрану и, отражаясьот нее, поступает в приемные светопроводы, а далее на фотодиод.Количество света, попадающее в приемные светопроводы, зависит отрасстояния между световодами и мембраной. Эта зависимость имеетнемонотонный характер с максимумом на расстоянии, близком к диаметрусветоводов из которых состоит жгут.

В датчиках использовалась восходящаяветвь этой зависимости, обеспечивая тем самым однозначностькалибровочной зависимости и более высокую чувствительностьпреобразователя.4ФЭП1а)32hб)Рис. 5. Фотография волоконно-оптического датчика давления – (а) и схема, поясняющаяпринцип его действия – (б). 1 – излучатель; 2 – волоконно-оптический жгут; 3 – мембрана;4 – фотоприемник.Разработанные волоконно-оптические датчики давления пригодны, вчастности, для инвазивного измерения давления крови и пульсаций давленияв потоках жидкостей (в том числе, в жидких металлах) и газов. Основныехарактеристики преобразователей определяются, главным образом, задачамиисследований, и для датчиков из нержавеющей стали, применяемых вдиссертационной работе, изменялись в следующихпределах: избыточноедавление – до 1 МПа; частота 0 – 104 кГц; температура 10 – 330 0С; диаметрмембраны 2 – 6 мм.

В диссертационной работе подобные волоконнооптические датчики применялись для подтверждения достоверностирезультатов измерений пульсаций давления, полученных с помощьюпьезоэлектрических преобразователей при исследовании взрывныхпроцессов в условиях возможного влияния электромагнитного поля.

Крометого, волоконно-оптическая система измерения малых перемещений,применяемая в датчиках давления, использовалась в конструкцияхразличныхпреобразователей,предназначенныхдляисследованияхарактеристик паровых оболочек в режимах пленочного кипения недогретойжидкости (дистиллированной воды).14Глава 1.4 посвящена описанию особенностей применения традиционныхизмерительных средств, используемых в диссертационной работе.Температурные исследования были выполнены с помощью термопар иусилителей как собственного, так и промышленного изготовления.

Запись иобработка сигналов с датчиков осуществлялась, главным образом,программным способом в средеLabVIEW, с использованиеммногоканальных управляемых аналогово-цифровых преобразователей. Длявизуальных наблюдений исследуемых процессов использовались оптическиемикроскопы, а также цифровые видеокамеры как с обычной (24 кадр/с), так иувеличенной (103 кадр/с) скоростью съемки.В данной главе диссертации также представлено метрологическоеобоснование применения усовершенствованного электроконтактного методаоценки значений площади и времени соприкосновения холодной воды сгорячей поверхностью.

Указанный метод основан на использованиисовременной цифровой измерительной техники и позволяет отслеживатьизменение параметров контакта при смене режимов кипения с характернойскоростью измерений не менее 106 изм./с.В заключении 1.5 сформулированы основные выводы по первому разделудиссертации. Особо подчеркивается, что разработанные оригинальныеприборы в сочетании с традиционными средствами измерительной техникисущественным образом расширяют возможности экспериментальныхисследований по изучению механизмов сложных термогидродинамических иМГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами.Раздел II «Исследование жидкометаллических электровихревыхтечений, инициированных неоднородным электрическим током»посвящен изучению так называемых электровихревых течений (ЭВТ),образующихсяприосесимметричномрастеканиипостоянногоэлектрического тока в жидкий металл, заполняющий контейнерполусферической или цилиндрической формы.

Подобные условия позволяютмоделировать ЭВТ, развивающиеся в плавильных ваннах приэлектрошлаковой сварке, а также электродуговом и электрошлаковомпереплаве металлов.Раздел состоит из введения, обзора литературы, двух глав, посвященныхописаниям методик и результатов исследований, а также заключения. Вовведении 2.1 к разделу описан физический механизм возникновенияэлектровихревых течений и обоснована научно-практическая необходимостьих изучения.Глава 2.2 посвящена обзору исследований осесимметричныхэлектровихревых течений, выполненных, в основном, применительно кпроблемам электрошлаковой сварки и электрошлакового переплава.Теоретические исследования ЭВТ проводились в стоксовом приближениипри значении параметра электровихревого течения S < 150 (ЗдесьS   0 I 2 /(  2 ) - аналог числа Рейнольдса для ЭВТ; μ0 – магнитная постоянная;ρ и ν –удельная плотность и кинематической вязкости жидкости; I – сила15электрического тока).

Применение численных методов, использующих,главнымобразом,систему стационарных уравнений магнитнойгидродинамики, позволило расширить изучаемую область до значений S ≤108. Было установлено, что в двухэлектродных осесимметричных ваннах,имеющих цилиндрическую или полусферическую форму, в условияхотсутствия внешних магнитных полей ЭВТ по своей структуре представляетсобой осесимметричный тороидальный вихрь, в котором перемещениежидкости на оси под малым электродом направлено в объем рабочей ванны.Проведенные оценки показали, что внешнее продольное магнитное полеможет приводить к азимутальной закрутке жидкости и генерациидополнительных вторичных течений уже в меридиональной плоскости. Былоустановлено, что уменьшение значения отношения размеров малого ибольшого электродов приводит к интенсификации электровихревых течений,а увеличение длины ванны – к переходу от структуры с одиночным вихрем ксистеме с двумя вихрями.

Продемонстрировано, что электровихревоетечение интенсифицирует тепломассообменные процессы внутри рабочейванны, а внешнее продольное магнитное поле, вследствие подавления ЭВТ,приводит к ухудшению перемешивания металла.В диссертации отмечается, что в большинстве проведенных расчетнотеоретических исследований ЭВТ нет сопоставления полученныхрезультатов с опытными данными, поскольку экспериментальных работ вэтой области относительно мало. В известных нам опытах, в основном,измерялись: давление на стенках ванны и, если это позволяла интенсивностьтечения, осевая скорость потока.

Вследствие неудовлетворительныхдинамических характеристик применяемых методов измерения скорости(трубки Пито – Прандтля) в этих работах не удалось изучить тонкуюструктуру электровихревых течений и измерить их пульсационныехарактеристики. Применение современного ультразвукового доплеровскогоанемометра для измерения скорости также не позволяет удовлетворительноразрешить эти проблемы, поскольку этот метод обладает недостаточнымпространственным разрешением.Отдельно в обзорной главе проанализирована литература, посвященнаяизучению физического эффекта спонтанной азимутальной закруткиосесимметричных электровихревых течений. Механизм этого явления,которое наблюдается в жидкометаллических ваннах с полной осевойсимметрией, не достаточно ясен и требует более глубокого изучения.В заключение литературного обзора перечисляются основные задачиисследования, направленные, в основном, на получение надежнойэкспериментальной информации по структуре и термогидродинамическимхарактеристикам электровихревых течений.Глава 2.3 посвящена описанию экспериментальных установок поизучению закономерностей ЭВТ с помощью волоконно-оптических датчиковскорости.

В ней также изложены способы измерения основных величин иметодики численных расчетов.16Начальный этап экспериментальных исследований по изучениюскоростнойструктурыЭВТспомощьюволоконно-оптическихпреобразователей был выполнен совместно с сотрудниками Институтафизики АН Латв. ССР. Схема одной из экспериментальных установок сцилиндрической рабочей ванной и двумя торцевыми электродами, к которымподводится постоянный электрический ток, показана на рис. 6а. Ваннаизготавливалась из нержавеющей стали и была заполнена ртутью.Преобразователь с помощью двухкоординатного механизма имелвозможность размещаться в любой точке вертикального осевого сеченияванны и измерять осевую z-компоненту скорости.а)б)Рис.