Проект направлен на решение проблем, связанных с особенностями турбулентных течений электропроводных сред, а также сред с непроводящими включениями и методами электромагнитного воздействия на двухфазные системы и их контроля. Исследуются магнитогидродинамические процессы с конечной целью создания методов анализа и прогнозирования, а также разработки конкретных технологических решений. Мотивация исследований обусловлена проблемами эффективности систем охлаждения ядерных энергоустановок с жидкометаллическим теплоносителем, которая может снижаться при загрязнении теплоносителя примесями, а также металлургическим проблемами получения слитков из расплавов с наиболее однородной структурой для улучшения их механических свойств.

Этап 1

Проведено математическое моделирование процесса сепарации непроводящих частиц в ячейке. Использован комбинированный лагранжевый-эйлеровый подход. Показано, что при фиксированной величине внешнего магнитного поля и размерах частиц скорость течения жидкости на входе в ячейку оказывает относительно малое влияние на эффективность сепарации. Построены зависимости коэффициента сепарации от времени при различных значениях внешнего магнитного поля и диаметрах частиц. Определены зависимости эффективности раздела фаз от параметров различных конфигураций, создающих электромагнитные силы в исследуемой ячейке, а также от параметров межфазного взаимодействия.

При наложении внешнего магнитного поля на электропроводящую среду, по которой течет ток, возникает электромагнитная сила, приводящая в движение среду. Структура течения определяется топологией растекания электрического тока, которая, в свою очередь, определяется количеством и формой примесей в электропроводящей среде. Получены зависимости электромагнитной силы от отношения размеров частиц и мезообъема, для разных способов создания электромагнитных сил, а также параметров процесса и двухфазной среды.

Выполнены эксперименты на сепарационной ячейке, представляющей собой вертикально расположенную плоскую прямоугольную кювету из оргстекла с рядом аккумулирующих перегородок, задерживающих сепарированную примесь в области между ними, с двумя электродами для пропускания тока вдоль кюветы. Ячейка помещена в магнитное поле. Измерения проводились при помощи ультразвукового доплеровского анемометра (УДА). Для верификации расчетов гидродинамических процессов было проведено экспериментальное исследование процесса МГД-воздействия на включения. Средой являлся раствор электролита, а второй фазой и трассерами - частицы сажи. В верификационном эксперименте была специально создана неоднородность электромагнитной силы, которая привела к генерации достаточно интенсивного вихревого течения. Результаты расчетов демонстрируют неплохое согласие с экспериментом. В экспериментах по процессу электромагнитного осаждения, пространстве между перегородками возникают паразитные вторичные течения. Интенсивность таких течений невелика, но этого оказывается достаточно для постепенного вымывания примеси из области аккумуляции и затруднения анализа изучаемого процесса. Все указанные трудности приводят к тому, что моделируемый процесс хоть и демонстрирует свою работоспособность, но имеет низкую эффективность на электролите. Для работы с химически активными расплавами жидких металлов наиболее подходит индукционный метод измерений электропроводности. В ходе выполнения проекта был разработан и изготовлен портативный индукционный датчик электропроводности металлов. Было определено, что датчик способен различать между собой образцы металлов и сплавов с разной электропроводностью, а также регистрировать изменение концентрации меди в оловянно-свинцовых цилиндрах. Таким образом, выполнено экспериментальное исследование индукционной методики определения электропроводности на твердых цилиндрических образцах металлов и их сплавов с известными электрическими проводимостями.

Исследованы магнитогидродинамические процессы, возникающие в коаксиальном канале индукционного электромагнитного насоса для жидкого металла. Численно и экспериментально исследованы расходно-напорные характеристики индукционного насоса бегущего магнитного поля. Результаты, полученные при решении данной задачи позволяют утверждать, что проблему оперативного определения электропроводности можно преодолеть с помощью анализа характеристик электромагнитного насоса, который всегда присутствует в подобных системах очистки теплоносителя и контроля его свойств. Обнаружено, что расчетное значение частоты электрического тока, обеспечивающее экстремум напора, совпадает с экспериментальным, если в расчетах взята электропроводность галлиевой эвтектики. Таким образом, с помощью математического моделирования и физических измерений можно определять неизвестное текущее значение электропроводности. Это позволяет разработать еще одну методику определения электропроводности, основанную на измерении характеристик насоса.

Численно и экспериментально изучался процесс взаимодействия движущейся в канале электропроводной среды с внешним магнитным полем. Получены безразмерные уравнения, описывающие динамику жидкости с неоднородными свойствами под действием внешнего магнитного поля, которые решались в некотором диапазоне параметров. Показано, что линейное распределение неоднородности приводит к появлению несимметрии профиля течения. Выявлено, что начиная с некоторых значений управляющих параметров в профилях скорости появляются точки перегиба. Для учета явления переноса поля выполнено исследование, в котором определялась степень смещения магнитного поля относительно исходного положения в зависимости от скорости потока электропроводной среды при числах Рейнольдса больше единицы. Исследование переноса локализованного магнитного поля потоком движущейся электропроводной среды показало, что при существенных скоростях среды происходит относительно небольшое смещение максимума магнитного поля относительно исходного положения. Экспериментальное исследование проводилось с использованием галлиевого контура. В случае приварки контактов к стенке, измерительная система показала полную неспособность определять расход. В случае использования электрической изоляции между жидким металлом и измерительными контактами, эдс показывает практически линейную зависимость от расхода. В данном случае очевидны преимущества использования электрической изоляции для контактов для повышения как способности измерения, так и чувствительности.

Разработана эскизная схема размещения МГД комплекса с условием компоновки существующего натриевого испытательного стенда: силовой каркас, на котором будут монтироваться все устройства комплекса. Выполнена предварительная планировка размещения сепарационной ячейки для разделения фаз электропроводной среды. Изготовлены элементы лабораторной установки. Наиболее сложным для разработки и изготовления является канал для электромагнитного насоса, который будет осуществлять циркуляцию духфазной среды в лабораторной установке разделения фаз. На следующем этапе начатые работы по изготовлению электромагнитного насоса и сепарирующей ячейки будут полностью завершены.

Таким образом, все поставленные на первый этап задачи были решены. В ходе выполнения первого этапа проекта были опубликованы две запланированные статьи. Трое участников проекта сделали четыре доклада о результатах работ по проекту на трех конференциях. Результаты выполнения первого этапа проекта заложили основу для выполнения второго этапа проекта, обеспечив хорошие возможности для достижения поставленных целей.

Этап 2

С использованием комбинированной лагранжевой-эйлеровой модели выполнены расчеты сепарации в цилиндрических каналах различного диаметра (А1.2). Построены зависимости коэффициента сепарации от частоты внешнего переменного магнитного поля для частиц различного размера при течении в каналах различного диаметра. Также определена зависимость коэффициента сепарации от расхода при фиксированной частоте внешнего магнитного поля. С использованием многоскоростной модели проведены расчеты эволюции распределения примеси во вращающемся течении с целью дальнейшей верификации. Определены зависимости коэффициента гомогенизации от времени для различных топологий электромагнитной силы.

Изучено течение жидкого металла вблизи частицы, с отличающейся электрической проводимостью (А2.2). Линии электрического тока искажаются вблизи частицы; возникают электромагнитные силы, генерирующие в жидкости течение в виде полоидальных и азимутальных вихрей. Энергия течения быстро растет при отклонении проводимости частицы от проводимости металла и выходит на асимптоту, когда различие проводимостей оказывается существенным. Во всем диапазоне исследованных параметров электромагнитного воздействия течение неустойчиво, имеют место пульсации скорости.

Рассмотрено течение жидкого металла вблизи нескольких электропроводящих частиц различной формы (А2.3). При коллинеарном направлении внешнего магнитного поля и электрического тока электромагнитная сила возникает за счет искажения линий тока вблизи частиц. Характер и структура течения зависит от топологии растекания электрического тока, которая определяется электропроводностью частиц, их количеством, расположением, формой. В течении генерируются интенсивные пульсации.

Изучен один из способов генерации электромагнитной силы в электропроводной среде с помощью индукционного механизма (B1.2). В данном случае переменное магнитное поле действует на среду, в ней индуцируется вихревой электрический ток и силы. В эксперименте с помощью ультразвукового доплеровского анемометра исследована скорость жидкой галлиевой эвтектики. Получены профили скорости для разных значений питающего индуктор тока. Численно изучена интенсивность, топология и характер поведения вихревого течения, вызванного электромагнитной силой, в транзитном потоке канала сепаратора. Получены поля скорости электропроводной среды для разных соотношений электромагнитной силы и скорости транзитного течения.

Определены кривые эволюций концентрации примесных частиц в ходе циклической прокачки двухфазной жидкометаллической среды через область электромагнитного воздействия (B1.3). Основными варьируемыми параметрами процесса разделения фаз были: форма канала, в котором осуществляется вытеснение примесных частиц из основного потока, а также интенсивность электромагнитного воздействия, определяемая напряженностью электрического и магнитного полей, создающих объёмные силы. Изучена топология течения в области электромагнитного воздействия.

Изучена неинвазивная методика воздействия на проводящие среды с помощью переменных магнитных полей в конфигурации пинча в цилиндрической ячейке (B2.2). Методика приводит к генерации вихревых течений. Магнитное поле генерируется коротким соленоидом, подключенным к источнику переменного тока. Численное исследование вихревого течения в цилиндрической ячейке показало, что в изучаемом диапазоне параметров возникают колебательные режимы. Применение Фурье анализа позволило обнаружить наличие выделенной частоты, а вейвлет-анализ позволил надежно оценить ее значение.

Рассмотрена электропроводящая цилиндрическая ячейка и индукционный датчик, помещенный вблизи (продолжение B2.1). При помощи численного моделирования исследована зависимость отклика датчика от электропроводности объема. Полученные результаты позволяют сделать вывод о допустимости использования индукционного датчика для контроля электропроводности сред.

Изучено поведение двухфазной среды в щелевом канале цилиндрического насоса бегущего поля (B3.2). Расчеты выполнены с помощью математической модели блока задач А. Эксперименты проведены на натриевом стенде. Получены зависимости перепада давления электропроводной среды, представляющей собой натрий с растворенными окислами, от частоты питающего тока, по методике аналогичная изложенной в задаче В3.1. С ее помощью оценена реальная эффективная электропроводность исследуемой среды.

Исследованы характеристики и эволюция поля скорости (экспериментально с помощью ультразвукового доплеровского анемометра), а также поля концентрации примесей (численно) в плоском слое с различным аспектным отношением электропроводной двухфазной среды, находящейся под действием бегущего магнитного поля с вариацией углов между тремя фазами питания линейной индукционной машины (B3.3). Результаты этого исследования послужили для верификации численной схемы, с помощью которой были получены требуемые эволюции поля концентрации примесной фазы.

Исследован кондукционный способ генерации электромагнитной силы (B4.1). С помощью математического моделирования получены величины интенсивности течения, формы профиля и пульсационные характеристики для различных значений интенсивности электромагнитной силы. Предложен и реализован кондукционный способ измерения зависимости эффективной проводимости ограниченного объёма металлического расплава. Полученная зависимость эффективной проводимости от концентрации примеси имеет существенно нелинейный характер в области малых концентраций.

Выполнена численная и экспериментальная проверка кондукционного способа регистрации скорости на реальной среде путем сравнения с имеющимся эталонным расходомером (В5.2). Калибровка производилась на натриевом стенде в температурном диапазоне 140-210 градусов. Среднее значение относительной погрешности составило 1.3%, максимальное – 3.2%. Расчеты и эксперименты, в целом, показали, что наличие растворенных примесей не оказывает существенного влияния на показания расхода в данном способе.

Разработана и создана электромагнитная система (B6.2), которая генерирует объемные силы в сепарирующей ячейке. Анализ показал, что индукционная система азимутального пинча является наиболее рациональной с технологической и конструкционной точек зрения. Разработанное и изготовленное электромагнитное устройство проверено и готово к внедрению в участок очистки.

Для лабораторной установки по электромагнитному разделению фаз в электропроводной среде изготовлен насос, обеспечивающий циркуляцию жидкого металла (B6.3). Это индукционный электромагнитный насос с цилиндрическим коаксиальным каналом. Насос имеет 12 катушек. Расчетное давление в стопорном режиме – 0.25 МПа; расход жидкого металла – 3 куб.м/ч.

Разработан и изготовлен новый вид индуктора, который бесконтактно создает электромагнитные силы в расплавленном металле, вызывающие его перемешивание (B6.6). Расчеты показали, что выбранного количества ампер-витков и умеренного значения электрического тока в обмотках достаточно, чтобы в жидком металле создалось развитое перемешивающее течение во всей рабочей ячейке.

Этап 3

На третьем этапе выполнения проекта с использованием комбинированной лагранжево-эйлеровой модели проведены расчеты сепарации в прямолинейном канале с учетом коагуляции и несферичности формы частиц. Показано, что для рассматриваемых течений учет коагуляции слабо влияет на коэффициент сепарации. В рамках комбинированной модели и с использованием параметрической модели коэффициента сопротивления от коэффициента формы рассчитана зависимость коэффициента сепарации от расхода для частиц формы близкой к сферической, а также для вытянутых частиц. Показано, что для частиц несферической формы наблюдается снижение коэффициента сепарации по сравнению с частицами сферической формы. С использованием прямого численного моделирования определен сценарий развития неустойчивости течения жидкости с линейным распределением проводимости по толщине слоя.

Определена зависимость средней электромагнитной силы F, действующей на частицы, от вида распределения частиц по размерам, а также от среднего расстояния между частицами. Для частиц, распределенных по размеру по логнормальному закону распределения средняя электромагнитная сила оказалась наименьшей. Получено, что если все частицы одинакового размера, то средняя электромагнитная сила становится наибольшей, по сравнению с другими видами распределения частиц по размерам.

Разработана, изготовлена и налажена экспериментальная установка, представляющая собой лабораторную модель циркуляционной очистки жидкого натрия от примесей. Разработан метод электромагнитного управления распределением примеси в объеме жидкого металла; создана лабораторная модель устройства, позволяющего воздействовать на гетерофазные включения; получены зависимости эффективности процесса разделения фаз от ключевых технических параметров.

В эксперименте с целью регистрации пульсационных характеристик течения были проведены измерения скорости проводящей жидкости с помощью ультразвукового доплеровского анемометра и кондукционного датчика скорости, а также проведены измерения напряжения и силы тока соленоида на заданной источником питания частоте. Вейвлет-спектрограммы сигналов скорости, полученных с помощью ультразвукового доплеровского анемометра и кондукционного датчика скорости, позволяют провести оценку частоты колебания скорости. При изучении пульсационных характеристик сигналов напряжения и силы тока соленоида получено, что оценку характеристики колебания получить в изученном диапазоне параметров не удается на фоне генерирующего сигнала. Таким образом, именно методика кондукционного датчика скорости может быть использована для регистрации пульсационных характеристик течения.

Разработан метод восстановления поля концентрации примеси в металле. Рассмотрено влияние бегущего и пульсирующего магнитных полей. Получены поля скоростей и распределения модельной примеси в слитках оловянно свинцового сплава, подвергавшихся воздействию индукционного электромагнитного воздействия на двухфазную среду в ходе кристаллизации.

Проведено исследование течения жидкого металла в сепарационной ячейке под воздействием внешней утяжеляющей силы. Оно позволило определить оптимальные геометрические параметры кассеты для аккумуляции примеси, а также величину действующей силы. Изучено поведение двухфазной среды, а именно процесс течения и эволюции поля концентрации включений, в плоском слое при действии электромагнитных сил, созданных кондукционным способом. Получены характеристики процесса разделения фаз для некоторых конфигураций силы при различных соотношениях параметров фаз, потоков и электромагнитных сил.

Исследован процесс взаимодействия движущейся электропроводной среды с электромагнитной системой, которая измеряет генерируемый на измерительной обмотке сигнал. С помощью численных исследований получены наилучшие характеристики измерительной системы, которые были выбраны для разработки лабораторной модели устройства. Эксперименты показали надежность измерительной системы в плане измерения расхода и не выявили в исследуемом диапазоне параметров чувствительности к наличию примесей и вариациям температуры среды.

Разработана и изготовлена лабораторная модель устройства для автоматического контроля чистоты жидкого натрия. В состав входят электромагнитный насос, запирающий клапан, датчик давления и система управления. Реализован алгоритм измерения электропроводности и, как следствие, чистоты натриевого теплоносителя. Устройство интегрировано в лабораторную модель системы очистки натрия.

Разработаны и изготовлены две пары лабораторных моделей электромагнитных расходомеров двух типов, которые размещены на металлопроводах лабораторной модели электромагнитной системы очистки натрия. Каждый из расходомеров снабжен источником питания подмагничивающих обмоток, задающим стабилизированную разность потенциалов, а также модулем измерения разности потенциалов на измерительных обмотках. Экспериментальные исследования подтвердили правильность выбора конструкций расходомеров для системы очистки натрия.

В ходе выполнения проекта опубликовано 8 статей и сделан 31 доклад на 14 конференциях.

• Назад
• Вперед