水平磁场对液态金属准二维Rayleigh-Benard对流的影响的实验研究
作者单位：西安交通大学航天航空学院机械结构强度与振动国家重点实验室 中国科学院大学工程科学学院
会议名称：《第十二届全国流体力学学术会议》
会议日期：2022年
学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）]
关 键 词：液态金属 Rayleigh-Benard对流 边界层 羽流 水平磁场
摘 要：随着液态金属在聚变领域的应用逐步实现,液态金属热对流的研究越来越得到关注。在液态金属的准二维Rayleigh-Benard对流实验中,我们采用热敏电阻测温技术研究了宽高比Γ=0.2(126×126×25.2 mm)的方形装置中的有无磁场下的传热特性,流动特征及无磁场下的温度边界层的特征。实验中的液态金属采用低熔点的镓铟锡合金,Pr≈0.03,Ra的测量范围为3.57×10≤Ra≤2.51×10,施加的水平磁场沿装置的宽度方向,Q的测量范围为6.35×10≤Q≤2.28×10(2.52×10≤Ha≤1.51×10)。我们发现液态金属准二维热对流在无磁场下并不存在反转现象,在测量的Ra区间内,Nu的波动呈现先增大后减小的趋势,在整个Ra测量区间中,符合Nu=(0.1589±0.0151)Ra(0.2622±0.0061))。同时,我们也对液态金属热对流中的温度边界层进行了测量,温度边界层的厚度随着Ra的增大而减小,但与水不同的是,水中的温度均方根随位置的变化仅存在一个峰值,而液态金属中存在两个峰值,液态金属中反常的流动结构导致了第二个峰值,不同位置羽流信息表明,羽流的强度和数目在温度边界层附近都达到峰值,在温度均方根的第二个峰值处,羽流的强度明显增强,再次达到峰值,但羽流的数目并没有明显增多。施加了水平磁场之后,其传热性能整体显著下降,但在局部区域内传热性能随着Ha的增加呈现先增后减的趋势,另外,水平磁场下的液态金属准二维热对流存在三种流动状态的转变,随着Ra的增加,流动状态由稳定的大尺度流动转变为振荡的大尺度流动,最终转变为混乱的冷热羽流垂直下降上升的状态。稳定的大尺度流动转变为振荡的大尺度流动的临界Ra符合理论预测Q～Ra。