Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 5

1.1.), нашел самое широкоеприменение в исследованиях структуры турбулентных течений газов ижидкостей [1.1 – 1.3]. Однако применение этого метода в потоках жидкихметаллов имеет существенные особенности и ограничения [1.4 – 1.16].Перечислим некоторые из них.1. Термоанемометры,применяемыевжидкихметаллах,обладаютухудшенными динамическими характеристиками, что обусловлено какналичием на чувствительном элементе электроизоляционного покрытия, таки инерционностью теплового пограничного слоя около нагретой нити.Оценки показывают, что для потока ртути при скорости течения 0.1 м/с 10%занижение амплитуды для типичного термоанемометрического датчикабудет иметь место уже при f = 45 Гц и достигать 90 % при f = 900 Гц.2.

Показания термоанемометров в жидкометаллических теплоносителяхкрайне нестабильны. Подобное обстоятельство связано с существеннойзависимостью теплоотдачи от значения термического сопротивления слоязагрязнений,которыйобразуетсяиз-заосаждениянаповерхностичувствительного элемента окислов и различных примесей, растворенных вжидком металле. Это термосопротивление, отражая динамику осаждения исноса слоя загрязнений, сильно изменяется от опыта к опыту. Поэтомукаждое извлечение нити термоанемометра из объема жидкого металла и егоповторное погружение вызывает значительное изменение калибровочнойхарактеристики.263. Вследствие большого значения коэффициент теплоотдачи при обтеканиинагретыхтелжидкимметалломтехническизначительный перегрев нити термоанемометра,сложноосуществитьвследствиечего егопоказания существенным образом зависят от температуры исследуемогожидкометаллическогопотока.Результатыспециальнопоставленныхэкспериментов свидетельствуют, что изменение температуры на 0.10Сспособно вызвать погрешность в калибровочной характеристике до 10 %.Поэтомусильнаячувствительностьтермоанемометракизменениютемпературы окружающей среды принципиально не позволяет корректноиспользоватьданныйприбордляисследованиясильноточныхтехнологических процессов, в том числе, для изучения характеристикэлектровихревых течений.4.

Применение термоанемометра для исследования ЭВТ ограничено такжепо причине сложного знакопеременного характера этих течений. Посколькуоднониточный термоанемометр чувствителен к значению модуля скорости,то в экспериментах по определению направления течения необходимоиспользовать зонды с X и V - образными чувствительными элементами, чтозначительным образом ухудшает пространственное разрешение датчика.5.

Напоказаниятермоанемометраоказываютсущественноевлияниезначение магнитного поля и его ориентация относительно оси нагретой нити.По этой причине необходимо проводить калибровку термоанемометра вмагнитном поле, что затрудняет исследование МГД – течений.Перечисленные выше трудности практически исключают корректноеприменение термоанемометра для измерения скорости в жидких металлах.Для получения приближенной оценочной картины жидкометаллическихМГД – течений как в лабораторных условиях, так и полупромышленныхустановках используются кондукционные анемометры [1.16 – 1.27].Подобные датчики принято разделять по схемам измерения скорости как свнешним, так и собственным внутренним магнитным полем (см.

рис. 1.1).Конструкция кондукционного анемометра с внешним магнитным полем27предельно проста и состоит из двух или нескольких точечных электродов,размещенных в движущейся жидкости на определенном расстоянии друготносительно друга. Принцип действия этих приборов можно понять исходяиз обобщенного закона Ома, записанного для проводящей среды. Еслипринять, что вектор индукции магнитного поля B (внешнего или специальносозданногомагнитом,размещеннымвизмерительномэлементепреобразователя) направлен по оси Y, то в проекциях на прямоугольные осикоординат можно записать: jx   e ( wz B  ex )   e ( wz B   / x ), jy   eey j   ( w B  e )   ( w B   / z ) zexzexгде  e - коэффициент электропроводности металла; ji , wi , ei – проекцииэлектрического тока, скорости и разности электрических потенциалов насоответствующую ось;  – потенциал электрического поля.

Как видно изприведеннойсистемысоотношений,разностипотенциаловмеждуэлектродами по осям X и Z функционально связаны со скоростью. Еслипредположить,что электрическиетоки малы,арасстояниемеждуэлектродами равно l, то wz  ex / lB и wx  ez / lB .Кондукционные анемометры имеют, по крайней мере, два существенныхнедостатка. Во-первых, если измерения проводятся в потоке токонесущейжидкости, то различные компоненты электрического тока не позволяют сдостаточной точностью определить истинное значение скорости.

Во-вторых,значение наведенной на электродах эдс мало (например, при скорости 0.1м/с, индукции магнитного поля В = 1 Тл и расстоянии между электродами l =10-3 м наведенная электродвижущаяся сила эдс = 100 мкВ) и соизмеримо с«паразитными» электрическими шумами химического, а также тепловогопроисхождения.28Рис. 1.1. Конструкции традиционных преобразователей скорости, применяемых в жидкихметаллах [1.1, 1.16]: А – термоанемометр.

1 – однониточный проволочный; 2 –двухниточный (Х – образный) проволочный; 3 – общий вид преобразователя в корпусе; 4– клиновидный пленочный; 5 – конический пленочный; 6 – торцевой пленочный(используется при установке заподлицо с обтекаемой поверхностью). Б – кондукционныйанемометр, (а) – с внешним магнитным полем; (б) – с собственным магнитным полем: 1 –полюса электромагнита; 2 – обмотки электромагнита; 3 – компенсационные витки; 4 –ярмо; 5 – державка; 6, 7, 8, 9, 10 – слабополяризующиеся платиновые электроды.Из описанного выше следует, что традиционные методы измеренияскорости недостаточно приспособлены дляисследованиятечений сжидкометаллическим теплоносителем.

Поэтому в различных научныхцентрах, особенно в европейских странах, ведутся активные исследования поразработке анемометров, работающих на несколько иных принципах. Вчастности, для изучения полей скорости в жидких металлах были примененыусовершенствованныеконструкциит.н.акустическихимпульсныхдоплеровских анемометров [1.28 – 1.32]. Подобные приборы являются29модификацией ультразвуковых доплеровских анемометров, которые широкоприменяются в медицине, а их принцип измерения скорости можно понять изсхемы, изображенной на рис.

1.2.wdПреобразовательLL1L2Рис. 1.2. Принцип действия ультразвукового импульсного доплеровского анемометра.Для наглядности предположим, что в исследуемом потоке находится лишьодна инородная частица. Преобразователь через определенные интервалывремени с частотой fe генерирует пакеты ультразвуковых импульсов.Начальный звуковой импульс распространяется (в границах выделенногоконуса на рис. 1.2) в потоке исследуемой жидкости, отражается от частицы ивозвращается на приемник преобразователя, проходя при этом путь L1.Следующий за первым второй ультразвуковой импульс также проходит черезжидкость, отражается от переместившейся частицы и возвращается наприемник, пройдя путь L2.

Исходя из элементарных предпосылок можнопредположить, что скорость перемещения частицы w связана с разностьюрасстояний, пройденных обоими импульсами L2 – L1 соотношениемc(L  L )  w cos  (   ) , где τ1-2 =(τ1 - τ2) – временной интервал222 12 2 1между двумя импульсами, с – скорость звука, θ – угол между направлениемскорости частицы и осью распространения звука (обозначения см. на рис.1.2). Поскольку значение (τ2 – τ1) практически всегда мало (менее 1 мкс), то в30опытах обычно измеряется не временной, а фазовый сдвиг между сигналамина приемнике от двух импульсов, по которому и определяется значениескорости.Корректное применение акустического анемометра ограничено сверхумаксимальными значениями скорости wmax и глубины Lmaxизмерения,характерными для данного метода и связанными с частотой генерируемыхимпульсов fe соотношением Lmax  wmax Основнымиявляютсядостоинствамиотсутствиеc2.8 f coseультразвуковыхнепосредственногоизмерителейконтактасскоростижидкостьюинезависимость от температуры исследуемого потока.

Недостатки этогометода связаны с необходимостью иметь в потоке частицы, которыеоднородным образом распределены в объеме движущейся жидкости. Крометого, широкое применение этого метода в настоящее время ограничено из-заплохого пространственного разрешения (осреднение производится по длинеультразвуковойволны)ивысокойстоимости(более40000евро)измерительной аппаратуры.

Более подробно вопрос об ограниченияхультразвукового анемометра будет рассмотрен в разделе II диссертации приописанииэкспериментальныхметодовисследованияэлектровихревыхтечений.Другой способ определения средней скорости жидкого металла основан наизмерении в потоке различных корреляционных функций. Подобный методполучил наибольшее распространение в атомной энергетике для определениярасходнойскоростижидкометаллическоготеплоносителя[1.33].Определение скорости основано на физической модели, предполагающей,чтотурбулентныйпотокпредставляетсобойсовокупностьвзаимодействующих между собой вихрей, переносимых основным течением.Каждый вихрь, проходя последовательно два или более измерительныхдатчика (например, термопары) расположенных друг за другом понаправлению основной скорости потока, генерирует в них стохастические31сигналы, коррелированные во времени и в пространстве.

Коэффициенткорреляции R12  x1x2 /  1 2  (здесь x1 и x2 –значения пульсаций какой-либофизической величины, измеренные в двух точках, σ1 и σ2 – ихсреднеквадратичные значения) зависит от времени и расстояния междудатчиками. Типичный вид зависимости корреляционной функции от времении расстояния между датчиками показан рис. 1.3.Рис. 1.3. Типичная зависимость взаимной корреляционной функции от времени. [1.33].Скорость потока определяется с помощью простого выражения: w = l0i/τ0i ,где l0i — расстояние между первым и i-м датчиками, τ0i – временной интервалмежду максимумами корреляционной функции.

Как показала практикаизмерений, существует некоторое оптимальное значение расстояния междудатчиками,позволяющеепогрешностью.проводитьПодобноготипаэкспериментыкорреляционныесминимальнойдатчикипозволяютотносительно просто проводить измерения средней скорости при высокихтемпературах. Вместе с тем, этот метод не позволяет исследоватьпульсационные характеристики потока.Среди других типов датчиков, применяемых для измерения скорости впотокахжидкогометалла,можновыделитьт.н.механическиепреобразователи, которые лишены некоторых недостатков, присущихкондукционному анемометру итермоанемометру.Принцип действиямеханических преобразователей основан на зависимости силы лобового32сопротивления Р от скорости W: P  C (Re)w2, где С(Re) – коэффициент2лобового сопротивления, ρ – плотность жидкости [1.34]. Под действиемскоростного напора упругий чувствительный элемент (балка, мембрана ит.п.) перемещается, причем значение прогиба пропорционально силесопротивления.Измерениепрогибаосуществляетсяспомощьюпреобразователя перемещений (емкостных, индуктивных, тензометрическихи т.п.