ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВИТИЯ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ПОЛОСТИ

Автор: Павел Дмитриевич Лобанов

Соавторы: Лобанов П.Д., Прибатурин Н.А., Курдюмов А.С., Светоносов А.И., Евдокименко И.А.

Организация: Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Исследования развития свободной конвекции в каналах и замкнутых полостях началось еще в конце 1970 годов, показав их актуальность как с точки зрения решения «классических» задач гидродинамики, так и с точки зрения их практической применимости [1-3]. Развитие свободной конвекции в вертикальных полостях с поперечным градиентом температуры, который создается за счет нагрева противоположных стенок до разных температур, определяется течением жидкости в пограничных слоях − восходящим течением у горячей стенки и нисходящим течением у охлаждаемой стенки. Были выполнены расчетно – аналитические исследования и определены параметры течения наиболее близкие к точному решению задачи развития свободной конвекции в полости с разнотемпературными стенками. До сих пор работы эти работы остаются эталонным решением для проверки разрабатываемых и применяемых вычислительных методик. Однако в подавляющем большинстве такие исследования выполнялись для свободно конвективного течения жидкости с числом Прандтля равного или больше единицы. Развитие свободно конвекции в жидкости с очень низким числом Прандтля, присущим жидким металлам, мало изучено.

В докладе приводятся результаты экспериментальных исследований по развитию свободной конвекции жидкого металла в прямоугольной узкой вертикальной полости с градиентом температуры по ее поперечному сечению. Температура одной из боковых стенок превышает температуру расплава металла, другая боковая стенка имеет температуру меньше, чем температура расплава, тем самым моделируется подвод и сток тепла. В качестве рабочей жидкости использован эвтектический свинцово – висмутовый сплав c с числом Прандтля 0.04. Особенностью выполнения экспериментов с жидким металлом было длительное время достижения установившихся режимов течения, доходящее до нескольких часов и неоднократное повторение измерений при соблюдении начальных и граничных условий для накопления статистически обоснованных данных.

В результате выполненных измерений получены профили температуры по ширине и глубине прямоугольной полости в зависимости от уровня подводимой электрической мощности к нагреваемой стенке. Для теплового пограничного слоя вблизи нагреваемой стенке получены детальные распределения температуры. Диапазон изменения числа Релея в тепловом пограничном слое для выполненных измерений составил величину, соответствующую диапазону 10⁷ – 5x10⁷, характерная величина числа Релея определяемого по ширине канала между двумя стенками с разной температурой составила значение от 10⁷ до 3x10⁷.