РНФ № 17-19-01745 «Разработка метода и проведение исследований структуры неизотермической МГД — турбулентности»

Проект выполняется совместно коллективами лабораторий 2.1.2.1 и 2.1.2.2.

О проекте:

Представленный проект состоит из двух, связанных между собой разделов. Первая приборно-методическая часть проекта направлена на создание достоверной количественной методики исследования турбулентной структуры жидкометаллических потоков в условиях воздействия усложняющих факторов, таких как наличие сильных электромагнитных полей и значительный нагрев теплоносителя. В настоящее время, несмотря на большую научно-практическую потребность и значительные усилия многих исследовательских коллективов, в мире до сих пор не разработано подобных методик. Для решения поставленной задачи предполагается реанимировать и развить на современной элементной базе оригинальные волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости (ВОИПС), которые разработаны в ОИВТ РАН соисполнителями представленного проекта и приспособлены для измерения характеристик турбулентности в изотермических МГД потоках жидких металлов. Подобные приборы, не имеющие мировых аналогов, позволяют в широком динамическом диапазоне и с высоким пространственным разрешением измерять одновременно две компоненты мгновенной вектора скорости, а их чувствительные элементы полностью изготовлены из стекла и практически невосприимчивы к электромагнитному воздействию, что особенно важно при проведении исследований МГД — течений.

Будет разработан специальный зонд, способный работать в жидком металле в сильном магнитном поле. Координатный механизм зонда позволяет поместить ВОИПС в любую точку выбранного сечения потока жидкого металла. В проекте планируется адаптировать и применить указанные волоконно-оптические датчики для измерения характеристик турбулентности в неизотермических жидкометаллических потоках, предварительно проведя их тестирование с помощью традиционных измерительных приборов (термоанемометр, лазерный доплеровский анемометр) в канальных потоках воды и воздуха. Предполагается, что созданная методика (включая разработки непосредственно датчиков, вторичной аппаратуры, многокоординатных зондов, программ сбора и обработки информации), существенным образом расширяющая возможности экспериментальных исследований, будет доведена до «товарного» уровня, необходимого для передачи и использования другими заинтересованными отечественными и зарубежными научными организациями.

Второе направление проекта имеет термогидродинамическую направленность и посвящено исследованию с помощью ВОИПС двух фундаментальных, практически важных проблем магнитной гидродинамики и теплообмена, связанных с изучением специфических свойств двухмерной МГД — турбулентности и выявлением закономерностей развития т.н. электровихревых течений (ЭВТ). Предполагается, что будут получены новые экспериментальные данные, которые позволят разработать (в частности, на основе гипотезы «поворота вихрей в магнитном поле») усовершенствованные модели процесса генерации в неизотермических МГД — потоках интенсивных пульсаций скорости и температуры. Детальное изучение данного явления, помимо фундаментального научного интереса, важно для предотвращения возникновения нештатных и аварийных режимов работы теплообменных систем, связанных с воздействием на турбулентное течение ЖМ сильных магнитных полей и термогравитационной конвекции, например, в атомной и термоядерной энергетике. Планируемое экспериментальное исследование гидродинамической структуры электровихревых течений, которые образуются при растекании электрического тока в объем плавильной ванны с жидким металлом, позволит более подробно изучить закономерности этой относительно новой области магнитной гидродинамики. Предполагается, что полученные результаты позволят выработать практические рекомендации по оптимизации и управлению тепло-гидродинамическими процессами в электрометаллургических и сварочных агрегатах, в которых ЭВТ имеют определяющее значение (современные электродуговые печи постоянного тока, различные устройства для электрошлаковой переплавки и сварки металлов).

Результаты выполнения проекта:

Проведены как практические, так и теоретические работы направленные на совершенствование базы по исследованию гидродинамики и теплообмена при течении теплоносителей различной природы в каналах различной формы. Теоретическая часть включает в себя: анализ литературы и оценку современного состояния вопроса о способах измерения скорости в турбулентных потоках жидких металлов, предварительные расчетно-аналитические исследования по созданию волоконно-оптических датчиков, а также поддерживающие расчеты, которые сопровождают любое экспериментальное исследование МГД-теплообмена. Практическая часть включает в себя: совершенствование технологии изготовления микротермопар, волоконно-оптических датчиков и зондов для их введения в исследуемую область, непосредственно само изготовление датчиков  и проведение серии экспериментов с их использованием.

На специально созданных установках, в которых в качестве рабочей среды использовались вода и воздух, проведены калибровки волоконно-оптических датчиков, имеющих различные конструкции. Датчики предназначены для измерения мгновенной скорости в оптически прозрачных (воздух, вода, электролиты) и непрозрачных (задымленные газы, ртуть, расплавы жидких металлов) газах и жидкостях. В результате проведенных исследований получены тарировочные характеристики. Откалиброванные волоконно-оптические датчики были использованы для измерения скорости затопленной струи, вытекающей из сопла Витошинского. Результаты экспериментов согласуются с теоретическими зависимостью и опытными данными, полученными в схожих условиях другими авторами, что свидетельствует о работоспособности изготовленных датчиков.

Установка для калибровки датчиков – Модельный Водяной стенд (МВ)

Фотография и схематичное изображение датчика типа опто-механический измеритель скорости (ОМИС)

  1. Эндоскоп; 2. Корпус датчика; 3. Метка, координату которой определяют по изображению с видеокамеры. Видеокамера крепится к эндоскопу; 4. Эластичная мембрана датчика; 5. Опорная нога (0.2 мм); 6. Чувствительный элемент (3 мм);

С использованием инфраструктуры, созданной на предыдущих этапах выполнения проекта для производства миниатюрных волоконно-оптических измерителей-преобразователей скорости (ВОИПС) освоена технология создания сканирующих зондов с датчиками в виде термопар с размером чувствительного элемента ~30 микрон. На основе микротермопар собраны корреляционные датчики скорости, разработана законченная  программная оболочка для работы с корреляционными измерениями скорости.

Внешний вид миниатюрного датчика температуры с размером чувствительного элемента ~30 микрон и данные о пульсациях температуры, полученные с использованием этого датчика.

Все методики опробованы в различных приложениях МГД-течений, а именно в исследованиях электровихревых течений, течений электролитов и жидких металлов под воздействием сильных магнитных полей.