水平磁场作用下液态金属自由射流破碎特性的实验研究

基于高速摄影系统,开展无磁场及水平磁场下液态金属三维自由射流实验,实现对无氧环境中最大We数为400、最大Ha数为30的液态镓铟锡（GaInSn）射流破碎形成液滴过程的观察。从射流形态、表面扰动和破碎长度3个方面分析射流破碎特性。无磁场时,射流呈现9种不同形态,表面扰动呈现膨胀波和正弦波两种形式,且随着We数的增大,扰动振幅先减小后增大,破碎长度先增大后减小。当施加水平磁场时,射流呈现4种典型形态,射流前缘在垂直磁场线方向呈扁平状,沿磁场线方向呈椭圆状,且随着Ha数的增大,射流破碎长度整体呈现增长趋势,但在部分工况下会出现减小的现象。     

均匀磁场中初始静止的液态金属在电流作用下三维运动的数值研究

液态金属在磁场中运动的研究在理论和应用方面都具有重要的意义.本文建立了在均匀磁场中初始时刻静止的液态金属流体的物理模型, 并向其中通入水平方向的电流.采用数值方法研究当存在沿竖直方向的、沿水平方向且平行于电流方向和沿水平方向且垂直于电流方向的外加磁场三种情况下金属流体的三维运动特性.分析发现, 电磁场的耦合作用会使原本静止的液态金属失稳并开始运动, 还会从自由表面生发出大量的二次液块甚至细小的液滴.磁场的方向和强度、电流的方向和密度均会影响金属流体的运动形态.     

水平磁场作用下金属液滴撞击电解质液池表面的实验研究

通过实验研究磁场环境中金属液滴撞击电解质液池所产生的物理现象.实验装置包括恒定磁场系统、金属液滴发生系统、具有氩气保护的液滴撞击实验容器、高速摄影系统4个部分.本实验可以实现高速精细地观察无氧环境中不同水平磁场强度、液滴直径、初速度条件下金属液滴撞击液池的物理过程.实验中液面上方现象可以归纳为3种:伴随二次液滴的细射流...     

展向磁场作用下液态金属GaInSn多层膜流实验研究

研究在展向磁场作用下,液态金属GaInSn膜流在有机玻璃方腔多层通道中的流动特性。实验首次采用3台激光轮廓测量仪同时捕捉3个位置的液膜表面2D轮廓变化,实现液膜厚度测量。研究结果表明：在有机玻璃通道内,液膜表面波动随流动雷诺数的增大而明显增加;引入的展向磁场有效地抑制沿磁场方向的表面波动,而对沿流向的波动影响较小。在液膜平均厚度变化方面,随磁场的增强,液膜厚度在较小雷诺数时减小,在中等雷诺数时先减小后增大,在大雷诺数时单调增大。同时,磁场对流动的阻碍作用在大雷诺数下表现得较为明显。相比单层膜流实验结果,多层膜流装置有效地改善膜流铺展性,更易实现在表面的大面积铺展。     

强磁场和电场作用下的液态金属飞溅抑制的实验研究

液态金属作为聚变堆中的液态第一壁,在强环形磁场与等离子体电流的共同作用下,产生指向等离子体的电磁力,发生不可控的金属液滴飞溅现象,严重威胁聚变堆的安全性和稳定性。使用一种毛细槽道结构,它不仅可以增大液态金属与壁面的接触面积,使黏附力增大;而且它会大大削减润湿阻力和电磁力的作用,达到抑制飞溅的效果。液态金属表面的稳定性,可通过提高表面的润湿性以及表面结构的合理选择来改善。本实验分析毛细槽道结构抑制液态金属飞溅的原理和效果,并研究飞溅过程中表面结构对抑制效果的影响。     

等离子体与液态金属相互作用的不稳定现象分析

未来聚变堆中,液态金属作为最有前景的面向等离子体部件之一,会同时受到超强磁场和高温等离子体的作用,离开原位置而进入堆芯等离子体中.本文列出3种具有代表性的不稳定现象并进行综合分析:1)由等离子体轰击液态金属引起的溅射现象,2)液态金属在磁场和电场共同作用下直接进入等离子体的飞溅现象和3)已经进入等离子体内部的金属液滴再次落下与液膜发生碰撞的现象.前人已经对溅射和液滴撞击液膜现象进行了深入研究.本文对前人的研究成果进行整合与分析,提出新的实验构想,探究磁场和电场作用下液态金属飞溅现象的形成机理.实验研究发现液态金属自由表面会逐渐长高,直至液态金属发生自由表面飞溅,飞溅的液滴能脱离液态金属"山峰"并落下,伴有二次液滴的形成.     

磁场作用下三维方腔内液态金属自然对流的数值模拟

为研究液态金属在磁场和壁面不同导电特性下的自然对流换热规律,对磁场作用下三维封闭方腔内的液态金属自然对流进行了数值模拟. 研究表明:当没有外加磁场时,模拟结果与已有实验结果相符;当存在外加磁场时,三维方腔内的流动和换热出现较大变化. 由于液态金属在磁场中运动产生感应电流,感应电流与外加磁场相互作用产生一个与运动方向相反的洛伦兹力,抑制了流动和液态金属的自然对流换热. 通过绝缘边界和导电边界的研究结果对比表明,壁面导电性能对于磁流体流动和换热产生很大影响.     

强磁场下液态金属在竖直平板外的自由对流换热

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。     

强磁场下液态金属微槽道流动与换热实验研究

聚变堆面向等离子体第一壁需要承受高强度的中子辐照和表面热负荷,普通材料难以满足要求,采用流动的液态金属作为面向等离子体第一壁是一种有效的解决途径.液态金属作为第一壁的关键前提是需要解决其在壁面均匀铺展的问题,以及需要研究在外加磁场条件下液态金属与壁面的换热特性,已有研究表明微槽道表面结构有助于液态金属的铺展.本文以液态...     

液态金属热输运过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对平板间液态金属的流动换热过程进行模拟.研究液态金属的微观热输运过程,左右两侧平板采用Cu原子作为恒温固壁,液态金属Pb处于平板间,以FCC结构为初始排列.模拟结果表明,在平板间的液态金属温度分布呈线性变化;不同温度下液态金属在恒温平板间的热输运模拟过程表明,平板间液态金属的热导率随温度的升高而增加,呈现线性变化.当在系统上施加一个重力加速度时,平板间未出现明显的自然对流,表明在微尺度下,边界阻力和粘滞力抑制了液态金属的自然对流.     

磁场和自由界面热流下二维液态锡膜流的传热模拟

液态金属偏滤器具有自修复和热负荷能力,因此成为偏滤器的重要设计方案。偏滤器上的液态金属膜流处于磁场和高强度热流下,且装置运行时产生的低频扰动会使薄膜流动发展为毛细孤立波。在毛细孤立波膜流中,波谷位置的毛细分离涡会显著增强该区域的对流换热。研究雷诺数为58的液态锡毛细孤立波膜流在底壁附近的换热现象。结果表明：无外加磁场和自由界面热流时,液态锡毛细孤立波薄膜流动复现了努塞尔数在波谷位置显著增强的现象;仅施加磁场时,由于洛伦兹力的阻尼效应,毛细分离涡处的换热增强效果被抑制;仅施加热流时,由于膜流被加热,总换热量增加,导致努塞尔数分布更均匀;同时施加磁场和热流时,两者的作用会叠加。