强磁场下液态金属在竖直平板外的自由对流换热

发布时间：2022-01-12 22:51

　　托克马克装置中面向等离子体部件在不同的位置存在很大的温差,导致面向等离子体部件表面液态金属产生自由对流。以此为背景,实验研究液态金属受横向磁场影响下竖直壁面上的自由对流换热规律。实验采用K型热电偶测量环境与壁面两侧的温度,利用多普勒超声波测速仪测量壁面上的液态金属速度,分析不同磁场强度和加热热流密度条件对竖直平板外表面的流动与换热影响规律。研究表明:竖直平板的局部换热系数与特征长度成反比,即距加热平板起始段越远换热越弱,同时增强加热功率使表面换热系数增加。在强磁场条件下,壁面边界层的流动与换热均普遍被抑制;但是在弱磁场下,增加磁场会强化平板表面的自由对流与换热,根据实验结果发现该转折点出现在磁相互作用数为1～4的范围。 

【文章来源】：中国科学院大学学报. 2020,37(01)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

不同热流密度下竖直平板局部Nu数

如图6所示为恒定加热功率时，竖直平板壁面局部Nu数随哈特曼数的变化情况，平板壁面处的局部Nu数随着Ha数的变化先是增加，然后降低。在变化的磁场强度中，当Ha数小于50时，磁场会强化竖直平板表面的自由对流换热;而当Ha数高于75时，磁场会抑制自由对流换热。同时图6中给出平板壁面局部Nu数随着磁相互作用数N的变化趋势。可以发现，随着特征长度x(即格拉晓夫数Gr)的增加，Nu数极值所对应的磁相互作用N变得越来越小。在x=0.2时，Nu数的极值分布在N=4左右，而当x=1时，Nu数的极值所对应的磁相互作用数大约等于1。根据实验结果发现该转折点出现在磁相互作用数为1～4的范围，这个规律和磁场对液态金属内部自然对流影响规律具有一致性，因此表明磁相互作用数N能更清晰地反映磁场对液态金属自然对流或自由对流换热的影响规律。

实验过程中设定恒定的磁场强度并改变电源的加热功率，在不同的热流密度条件下，对比液态金属在0.5 T磁场强度时的局部换热系数与努塞尔数Nu随特征长度x的变化趋势。图4给出无磁场和施加0.5 T磁场时不同热流密度的局部换热系数和有无磁场时局部换热系数的对比情况。从图4可以看出，平板表面的局部传热趋势呈下降趋势，由于加热平板导致自由对流流体向上流动，不断加热壁面介质温度，在热流密度恒定的条件下，壁面与环境温差增大，从而降低了表面局部换热系数。同时随着功率的增加使得热流密度增加，所以表面局部热流密度会随着功率的增加而上升。在靠近平板尾部的位置局部传热系数上升，是因为腔体的限制在竖直平板尾部产生回流，回流对平板有再次冷却的作用，使得壁面与环境的温差减小，提高尾部的局部换热系数。虚线为无磁场条件下平板表面的局部传热系数，实线为0.5 T磁场条件下平板表面的局部传热系数。在恒定热流密度的条件下，磁场的存在会普遍降低平板的局部传热系数，由于磁场抑制自由对流效应，导致壁面温度升高，从而提高了壁面与环境的温差，所以磁场降低了平板表面的局部传热系数。

【参考文献】：
期刊论文
[1]磁场作用下三维方腔内液态金属自然对流的数值模拟[J]. 王增辉,陈欢,杨嵩.  中国科学院大学学报. 2013(04)
[2]竖直平板自然对流强化换热的实验[J]. 闻洁,于兆吉,吴宏.  航空动力学报. 2008(03)



本文编号：3585596