托克馬克裝置中面向等離子體部件在不同的位置存在很大的溫差,導(dǎo)致面向等離子體部件表面液態(tài)金屬產(chǎn)生自由對(duì)流。以此為背景,實(shí)驗(yàn)研究液態(tài)金屬受橫向磁場(chǎng)影響下豎直壁面上的自由對(duì)流換熱規(guī)律。實(shí)驗(yàn)采用K型熱電偶測(cè)量環(huán)境與壁面兩側(cè)的溫度,利用多普勒超聲波測(cè)速儀測(cè)量壁面上的液態(tài)金屬速度,分析不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和加熱熱流密度條件對(duì)豎直平板外表面的流動(dòng)與換熱影響規(guī)律。研究表明:豎直平板的局部換熱系數(shù)與特征長度成反比,即距加熱平板起始段越遠(yuǎn)換熱越弱,同時(shí)增強(qiáng)加熱功率使表面換熱系數(shù)增加。在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下,壁面邊界層的流動(dòng)與換熱均普遍被抑制;但是在弱磁場(chǎng)下,增加磁場(chǎng)會(huì)強(qiáng)化平板表面的自由對(duì)流與換熱,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在磁相互作用數(shù)為1～4的范圍。 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào). 2020,37(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同熱流密度下豎直平板局部Nu數(shù)

如圖6所示為恒定加熱功率時(shí)，豎直平板壁面局部Nu數(shù)隨哈特曼數(shù)的變化情況，平板壁面處的局部Nu數(shù)隨著Ha數(shù)的變化先是增加，然后降低。在變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度中，當(dāng)Ha數(shù)小于50時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)強(qiáng)化豎直平板表面的自由對(duì)流換熱;而當(dāng)Ha數(shù)高于75時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)抑制自由對(duì)流換熱。同時(shí)圖6中給出平板壁面局部Nu數(shù)隨著磁相互作用數(shù)N的變化趨勢(shì)。可以發(fā)現(xiàn)，隨著特征長度x(即格拉曉夫數(shù)Gr)的增加，Nu數(shù)極值所對(duì)應(yīng)的磁相互作用N變得越來越小。在x=0.2時(shí)，Nu數(shù)的極值分布在N=4左右，而當(dāng)x=1時(shí)，Nu數(shù)的極值所對(duì)應(yīng)的磁相互作用數(shù)大約等于1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在磁相互作用數(shù)為1～4的范圍，這個(gè)規(guī)律和磁場(chǎng)對(duì)液態(tài)金屬內(nèi)部自然對(duì)流影響規(guī)律具有一致性，因此表明磁相互作用數(shù)N能更清晰地反映磁場(chǎng)對(duì)液態(tài)金屬自然對(duì)流或自由對(duì)流換熱的影響規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定恒定的磁場(chǎng)強(qiáng)度并改變電源的加熱功率，在不同的熱流密度條件下，對(duì)比液態(tài)金屬在0.5 T磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)的局部換熱系數(shù)與努塞爾數(shù)Nu隨特征長度x的變化趨勢(shì)。圖4給出無磁場(chǎng)和施加0.5 T磁場(chǎng)時(shí)不同熱流密度的局部換熱系數(shù)和有無磁場(chǎng)時(shí)局部換熱系數(shù)的對(duì)比情況。從圖4可以看出，平板表面的局部傳熱趨勢(shì)呈下降趨勢(shì)，由于加熱平板導(dǎo)致自由對(duì)流流體向上流動(dòng)，不斷加熱壁面介質(zhì)溫度，在熱流密度恒定的條件下，壁面與環(huán)境溫差增大，從而降低了表面局部換熱系數(shù)。同時(shí)隨著功率的增加使得熱流密度增加，所以表面局部熱流密度會(huì)隨著功率的增加而上升。在靠近平板尾部的位置局部傳熱系數(shù)上升，是因?yàn)榍惑w的限制在豎直平板尾部產(chǎn)生回流，回流對(duì)平板有再次冷卻的作用，使得壁面與環(huán)境的溫差減小，提高尾部的局部換熱系數(shù)。虛線為無磁場(chǎng)條件下平板表面的局部傳熱系數(shù)，實(shí)線為0.5 T磁場(chǎng)條件下平板表面的局部傳熱系數(shù)。在恒定熱流密度的條件下，磁場(chǎng)的存在會(huì)普遍降低平板的局部傳熱系數(shù)，由于磁場(chǎng)抑制自由對(duì)流效應(yīng)，導(dǎo)致壁面溫度升高，從而提高了壁面與環(huán)境的溫差，所以磁場(chǎng)降低了平板表面的局部傳熱系數(shù)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]磁場(chǎng)作用下三維方腔內(nèi)液態(tài)金屬自然對(duì)流的數(shù)值模擬[J]. 王增輝,陳歡,楊嵩.  中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào). 2013(04)
[2]豎直平板自然對(duì)流強(qiáng)化換熱的實(shí)驗(yàn)[J]. 聞潔,于兆吉,吳宏.  航空動(dòng)力學(xué)報(bào). 2008(03)



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