Аннотация результатов, полученных в 2017 году
С помощью специально созданных приспособлений изготовлены чувствительные элементы волоконно-оптических преобразователей скорости. На основе современной элементной электронной базы произведена модернизация вторичной аналоговой аппаратуры, обработка сигналов с которой осуществляется полностью программным способом в цифровом виде. Изготовлен зонд, позволяющий перемещать различные измерительные датчики (волоконно-оптические, корреляционные, кондуктометрические датчики скорости, термопарные датчики для измерения полей температуры) внутри труб и каналов с газовыми, водными и жидкометаллическими теплоносителями. Точность определения координаты датчика при перемещении зонда 30 мкм. Зонд установлен на экспериментальном стенде. Процесс перемещения зонда полностью автоматизирован с помощью специально написанного программного обеспечения. Проведены наладочные и первичные измерения, результаты которых свидетельствуют о работоспособности созданного устройства. На специально созданных установках, в которых в качестве рабочей среды использовались вода и воздух, проведены калибровки волоконно-оптических датчиков, имеющих различные конструкции. Датчики предназначены для измерения мгновенной скорости в оптически прозрачных (воздух, вода, электролиты) и непрозрачных (задымленные газы, ртуть, расплавы жидких металлов) газах и жидкостях. В результате проведенных исследований получены тарировочные характеристики. Откалиброванные волоконно-оптические датчики были использованы для измерения скорости затопленной струи, вытекающей из сопла Витошинского. Результаты экспериментов согласуются с теоретическими зависимостью и опытными данными, полученными в схожих условиях другими авторами, что свидетельствует о работоспособности изготовленных датчиков. Для управления проведением опытов на экспериментальных стендах написаны специальные программы, которые позволяют в реальном времени в окне на мониторе отображать схему маршрута точек во время эксперимента, включая: текущее положение зонда; точки, в которых было проведено измерение; метки предполагаемых точек измерения. С помощью разработанных измерительных средств, включая волоконно-оптические преобразователи, на стендах, использующих в качестве рабочих теплоносителей эвтектический сплав In-Ga-Sn и ртуть, проведены систематические экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена жидких металлов. Совместно с экспериментами были также выполнены расчетно-теоретические работы по данной тематике. Получены новые опытные данные по гидродинамической структуре электровихревых течений в диапазонах изменения безразмерного параметра электровихревого течения (аналог числа Рейнольдса) S =1.5*10^7 – 2.4*10^8 (сила электрического тока I = (100 – 400) А и параметра электромагнитного взаимодействия N = (0.38 – 3)*10^8 (индукция внешнего магнитного поля B = 5*10^-4 – 10^-3 Тл). Проведены расчеты полей скорости электровихревых течений (ЭВТ) в диапазонах изменения безразмерных критериев подобия S =2*10^3 – 10^9, N = (10^3 –10^9). Произведено сравнение численных и опытных данных, результаты которого свидетельствуют об их соответствии друг другу. Последнее обстоятельство подтверждает достоверность расчетной методики и результатов вычислений. С помощью экспериментальных и численных методов определена граничная кривая перехода ЭВТ от одновихревого к двухвихревому режиму течения в зависимости от времени, силы электрического тока, индукции внешнего магнитного поля и отношения размеров электродов. Наблюдается совпадение расчетных и опытных данных. Проведено обобщение полученных результатов. В приближении Стокса с использованием переменных «векторный потенциал – завихренность» аналитически исследовано поля скорости электровихревого течения металлического расплава между двумя полусферамими. Полученные результаты практически совпадают с данными численных исследований и подтверждают достоверность разработанной численной методики. С помощью термопарных зондов и датчиков скорости получены новые опытные данные по гидродинамике и теплообмену потока ртути в магнитном поле. Эксперименты выполнены на рабочем канале, который моделирует проточную часть бланкета проектируемого термоядерного реактора. Опыты проведены при подъемном течении ртути в компланарном магнитном поле.. Результаты трехмерных измерений скорости и температуры выполнены в диапазоне режимных параметров: чисел Рейнольдса Re=10·10^3 ¸ 55·10^3, Грасгофа до 5.7·10^8, Гартмана На = 0 ¸ 800. Было обнаружено, что в исследуемых условиях имеет место сильная неоднородность в распределении температуры стенки в поперечном сечении канала, особенно при одностороннем обогреве, которая увеличивается в магнитном поле.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
• Разработана и изготовлена конструкция составного шарнирного зонда для проведения двумерных полей температуры и скорости, адаптированного для экспериментальной программы. • Изучена структура течения имитатора расплава соли в магнитном поле в условиях сильных тепловых потоков. Обнаружено, что в вертикальных каналах наблюдается увеличение интенсивности пульсаций температуры в режимах, где ожидается подавление за счет частичной ламинаризации потока недостаточной для развития макроскопических эффектов МГД-теплообмена. Этот неожиданный результат подтвержден независимым проведением прямого численного моделирования и важен для верификации и развития численных методов. • Подготовлен опытный стенд ОИВТ РАН, входящий в состав уникального ртутного МГД-комплекса МЭИ-ОИВТ РАН для экспериментального исследования теплообмена при подъемном течении ртути в вертикальной трубе в поперечном магнитном поле при однородном по длине и неоднородном в сечении обогреве. Изготовлен зонд типа «гребенка», с десятью микро-термопарами на конце. Для измерения продольной компоненты скорости изготовлен двухтермопарный датчик корреляционных измерений. Проведена серия экспериментов по исследованию теплообмена ЖМ в трубе при однородном по длине и неоднородном в сечении (одностороннем) обогреве трубы с плотностями теплового потока на полупериметрах q1=0 и q2=35000 Вт/м2 в поперечном МП для трех значений числа Гартмана: без магнитного поля На=0 ив поперечном магнитном поле с числами На=150 (В=0.3 Тл) и На=300 (В=0.6 Тл). Серия экспериментов проведена в сетке режимных параметров пол числам Рейнольдса: Re=12000; 20000; 35000; 65000; 80000; 90000. Для каждого из режимов в сечении, удаленном от входа в области однородного МП построены двумерные поля осредненной температуры в сечении калибра 38 d, распределения безразмерной температуры стенки, как характеристики теплоотдачи. • Получены распределения температуры на обогреваемой и не обогреваемой стенках по длине участка обогрева, что позволяет судить о длине начального и участка стабилизации теплоотдачи. Проанализированны характеристики температурных пульсаций: осциллограммы, интенсивности температурных пульсаций, рассчитаны автокорреляционные функции и амплитудно-частотные характеристики- спектры. • Обнаружено существенное влияние двух факторов на исследуемые характеристики потока: сил плавучести термогравитационной конвекции и поперечного магнитного поля. • В исследуемой конфигурации течения и обогрева обнаружена сильная неоднородность в распределении температуры стенки в поперечном сечении канала, особенно при одностороннем обогреве, которая усиливается для режимов с магнитным полем. МГД-эффект, который ранее был получен при опускном течении в поперечном МП, связанный с возникновением пульсаций температуры аномальной амплитуды не наблюдается при подъемном течении. Однако ожидаемого полного подавления турбулентности в магнитном поле не обнаружено. • Получены новые расчетные данные по полям скорости электровихревых течений в диапазоне изменения безразмерных критериев подобия характерном для промышленных агрегатов S =3e10-1.5e11, N = 8.3e9). Обнаружено, что в таких условиях, при наличии внешних магнитных полей необходимо отказаться от традиционных приближений и решать полную магнитогидродинамическую задачу. • При помощи волоконно-оптических датчиков были проведены исследования турбулентных пульсаций осевой скорости электровихревого течения. Обнаружено, что абсолютные значения интенсивности пульсаций линейно возрастают с ростом электрического тока, а их относительное значение, отнесенное к средней скорости, не превышает 20%. Поскольку электровихревое течение в присутствии внешних магнитных полей достаточно неустойчиво – в жидкости возникают автоколебания, стоит задача отделения пульсаций, имеющих турбулентную природу от колебаний жидкости вызванных взаимодействием встречных потоков – основного электровихревого течения и вторичного восходящего течения родственного вихрю Тейлора.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения заключительного этапа проекта произведена существенная модернизация зондовых методов для инвазивного исследования структуры течений жидкости. Модернизация основана на опыте эксплуатации предыдущих версий зонда и отвечает возникшим в ходе работы с различными средами и типами датчиков запросам. Был разработан, спроектирован и применен зонд для установки миниатюрных датчиков без демонтажа вторичной аппаратуры. Новая конструкция шарнирного устройства позволяющая значительно увеличить его надежность и удобство эксплуатации в различных средах, включая химически активные и ядовитые. Предложена, разработана и опробована конструкция опто-механических датчиков измерения скорости, основанная на обработке изображения механических изменений внутри конструкции датчика происходящих под воздействием напора жидкости в локальной точке потока. Для создания такого датчика проработан вопрос материалов, конструкции, использования серийно - выпускаемых элементов (эндоскопов, камер, микрокомпьютеров). Разработано программное обеспечения для обработки показаний датчика. Были созданы две системы обработки сигналов с измерителей скорости. Наиболее совершенная предлагается для лабораторных исследований и исполнена в среде LabView. Для промышленной эксплуатации была разработана, протестирована и реализована система на базе более широко применимого микрокомпьютера Raspberry Pi, имеющая более низкую производительность, но существенно более доступную стоимость. С использованием инфраструктуры, созданной на предыдущих этапах выполнения проекта для производства миниатюрных волоконно-оптических измерителей-преобразователей скорости (ВОИПС) освоена технология создания сканирующих зондов с датчиками в виде термопар с размером чувствительного элемента ~30 микрон. На основе микротермопар собраны корреляционные датчики скорости, разработана законченная программная оболочка для работы с корреляционными измерениями скорости. Для выбора оптимальной конструкции датчиков скорости были выполнены поисковые расчеты обтекания чувствительных элементов при скоростях до 1 м/с. Образцы созданных датчиков прошли тестирование и готовы к потенциальному внедрению для лабораторных и промышленных исследований. После серии экспериментов выявлены слабые и сильные стороны развиваемых методик. Разработанные методики опробованы в различных приложениях МГД-течений, а именно в исследованиях электровихревых течений, течений электролитов и жидких металлов под воздействием сильных магнитных полей. При исследовании электровихревых течений проведены измерения поверхностной азимутальной скорости в течении, осложненным наложение внешнего магнитного поля в интервале от 5е-4 до 1е-1 Тл, имитирующего различные ситуации воздействия естественного магнитного поля земли на процесс электровихревого течения. Получена картина эволюции течения в зависимости от внешнего поля. При росте внешнего аксиального поля возникает азимутальная закрутка, которая приводит к возникновению вторичного восходящего вихря, вторичный вихрь подавляет основное электровихревое течение в вертикальной плоскости и образуется застойная зона в интервале поля от 2е-4 до 1е-2. Дальнейший рост поля приводит к развороту течения в вертикальной плоскости и росту азимутальной скорости. Еще большее повышение интенсивности внешнего поля вызывает замедление всех потоков из-за преобладающего влияния тормозящей электромагнитной силы. Обнаружено, что длительность существования пульсационного/автоколебательного режима определяется значениями силы электрического тока и индукции внешнего магнитного поля. Результаты расчетов показывают, что при I = 400 А такой тип течения может существовать неограниченно долгое время при воздействии внешнего продольного магнитного поля индукцией до 1е-3 Тл. В относительно сильных внешних магнитных полях (В ≥ 1е-3 Тл) происходит быстрое подавление электровихревого течения во всем объеме жидкости за исключением приповерхностного слоя на периферии контейнера. При исследовании течения щелочного раствора (20% KOH) под воздействием сильных магнитных полей были проведены прецизионные измерения профилей температурных пульсаций и температур в прямоугольном канале. Полученные данные впервые демонстрируют качественные и количественные изменения происходящие в структуре МГД-течения электролита в условиях приближенных к каналам перспективных термоядерных реакторов с жидкосолевой рабочей средой, прокачиваемой по каналам в магнитном поле. Проведена серия экспериментов по исследованию теплообмена жидкого металла в ранее не изученной экспериментально конфигурации - в трубе при однородном по длине и неоднородном в сечении (одностороннем) обогреве трубы с плотностями теплового потока на полупериметрах q1=0 и q2=35000 Вт/м2 в поперечном МП для трех значений числа Гартмана: без магнитного поля На=0 и в поперечном магнитном поле с числами На=150 (В=0.3 Тл) и На=300 (В=0.6 Тл). Получены распределения температуры на обогреваемой и не обогреваемой стенках по длине участка обогрева, что позволяет судить о длине начального и участка стабилизации теплоотдачи. В исследуемой конфигурации течения и обогрева обнаружена сильная неоднородность в распределении температуры стенки в поперечном сечении канала, особенно при одностороннем обогреве, которая усиливается для режимов с магнитным полем. Определены критериальные зависимости осредненного числа Нуссельта в области стабилизированного теплообмена в зависимости от чисел Пекле и Ричардсона (Gr/Re2) при разных числах Гартмана. Опытные точки сравниваются с зависимостью Лайона, справедливой для теплоотдачи в трубе чисто турбулентного и ламинарного течения. В отсутствие магнитного поля (На=0) обнаружена зависимость теплоотдачи, характерная для смешанной турбулентной конвекции жидкости в случае подъемного течения в трубе. Относительные числа Нуссельта (отнесенные к значениям, рассчитанным по формуле Лайона) в нашем случае подъемного течения ртути при одностороннем обогреве с ростом Числа Ричардсона в общем ведут себя немонотонно: при малых значениях параметра оказываются на уровне единицы, потом снижаются, проходят через минимум и возрастают, превышая единицу. Такое поведение теплоотдачи при смешанной конвекции в трубе с однородным обогревом хорошо известно для неметаллических теплоносителей. Наши результаты, впервые полученные в аналогичных условия для подъемного течения ртути в канале с неоднородным обогревом, ведут себя качественно аналогичным образом. Это свидетельствует о значительном влиянии сил плавучести ТГК на теплообмен. МГД-эффект, который ранее был получен при опускном течении в поперечном МП, связанный с возникновением пульсаций температуры аномальной амплитуды не наблюдается при подъемном течении. Однако ожидаемого полного подавления турбулентности в магнитном поле не обнаружено. Проведена серия экспериментов по измерениям профилей продольной компоненты скорости ЖМ в трубе при однородном по длине и неоднородном в сечении (одностороннем) обогреве трубы с плотностями теплового потока на полупериметрах q1=0 и q2=35000 Вт/м2 в поперечном МП с индукцией магнитного поля 0 ÷ 1.1 Тл, соответствующими числам Гартмана На=0 ÷ 550. Для режимов течения с различными числам Рейнольдса: Re= 12000, 20000; 35000; 65000; 80000; 90000 в сечении трубы 37d снимались профили продольной компоненты скорости двух взаимно перпендикулярных плоскостях: по оси X, параллельной индукции МП и по оси Y, перпендикулярно в направлении наибольшего градиента температур. Одновременно с измерением скорости по температурным реализациям от термопар датчики рассчитывались осредненные температуры и интенсивности температурных пульсаций. Обнаружено существенное влияние сил плавучести ТГК, которые ускоряют поток вблизи обогреваем стороны канала, вследствие чего поле скорости теряет осевую симметрию. Поперечное магнитное поле усиливает этот эффект. Кроме того обнаружено, что поперечное МП приводит к эффекту Гартмана: уплощение профилей скорости по оси X, параллельной индукции МП. В результате сравнительных опытов по измерению профилей продольной компоненты с применением двух подсистем подтверждена идентичность применяемых методов на уровне, как аппаратных, так и программных средств. Этот факт позволяет уверенно считать надежными и достоверными полученные данных измерений как по профилям скорости, так и характеристикам теплоотдачи. Проведено сравнение результатов численного расчета и опытных данных на графиках: осредненных профилей скорости, температуры, распределений безразмерной температуры стенки канала, как в поперечном сечении канала, удаленном от начала обогрева в области однородного МП, так и по длине в диапазоне режимных параметров. Результаты обнаруживают хорошее и удовлетворительное (в пределах погрешности эксперименте) совпадение расчетных кривых и опытных точек в режимах течения при наличии поперечного МП с числами Гартмана На=150-550. В режимах без магнитного поля (На=0) расчетные данные по распределениям локальной температуры стенки обнаруживают систематическое занижение, по сравнению с опытными значениями. Это объясняется недостатком расчетной модели: коэффициент турбулентной вязкости, заложенный в расчет, не учитывает термогравитационной конвекции, обусловленной влиянием сил плавучести вблизи огреваемой стенки на структуру турбулентности подъемного течения. Поэтому рекомендуется дальнейшее развитие расчетной модели с целью учета этого фактора. Уравнения и граничные условия записаны в безразмерных величинах, поэтому полученные расчетная модель и полученные результаты обладают общностью и могут быть рекомендованы для расчета теплогидравлики жидкометаллических теплоносителей в теплообменных каналах модулей бланкета, проектируемых для ТЯР типа токамак, как чистого синтеза, так и гибридных, ИТЕР, ТИН.