Богатая вихревая динамика закрученных потоков проводящей жидкости

В Институте механики сплошных сред УрО РАН (Пермь) создана новая экспериментальная установка, в которой при помощи магнитного поля генерируются сложные закрученные потоки в жидком металле. В ходе эксперимента удалось пронаблюдать целый спектр вихревых течений проводящей жидкости, среди которых крупномасштабный вихрь — аналог атмосферного торнадо. Описание установки и первые результаты опубликованы в журнале Journal of Fluid mechanics.

Расплавленные металлы, электролиты, жидкое ядро планет — всё это проводящие жидкости, течение которых существенно усложняется под действием внешнего магнитного поля. Изучением их движения занимается многогранная наука — магнитная гидродинамика.

Для инженеров знание законов магнитной гидродинамики открывает возможности для создания новых устройств, например, насосов для перекачки жидкометаллических теплоносителей на атомных станциях. Что ещё важнее — они дают инструмент для управления качеством литейной продукции, поскольку физические свойства конечного металлического изделия и его структура напрямую зависят от условий, при которых происходило его затвердевание.

Управлять потоком проводящей жидкости можно бесконтактно при помощи внешнего магнитного поля, создаваемого катушками с электрическим током. Меняя конфигурацию катушек, можно генерировать поле сложной геометрии, а подавая переменный ток, создавать, к примеру, бегущую волну магнитного поля.

Именно этот принцип использовали учёные из Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН. Они разработали лабораторную установку, в ядре которой лежит цилиндрический сосуд, состоящий из двух частей разного диаметра. Такая геометрия воспроизводит, например, свойства ковша для непрерывного литья. Система катушек позволяет закручивать магнитное поле в ячейке в противоположных направлениях. Это позволило бесконтактно, с помощью магнитного поля, создать в ячейке с жидким металлом противоположно закрученные потоки.

В такой системе может существовать целый спектр течений — вплоть до вихрей, напоминающих торнадо. Это интенсивные локализованные структуры, где в центре вращающегося слоя формируется сходящийся нисходящий поток. Кроме того, в системе обнаружены вертикальные джеты, струйные течения, возникающих без сквозной прокачки системы.

«Закрученные потоки жидкости и газа нашли широкое применение в современной технике благодаря своим аэродинамическим, термодинамическим и гидромеханическим качествам, которые позволяют многократно интенсифицировать процессы энерго-, массо- и теплообмена. Удивительно, насколько богатый набор сценариев позволяет наблюдать наша установка: начиная от достаточно простых течений при небольших скоростях и заканчивая сложными течениями типа вертикальных джетов и торнадо. Изучение каждого из этих течений и понимание механизмов управления ими позволят оптимизировать процессы производства, подавляя нежелательные или создавая полезные эффекты», — рассказал научный сотрудник лаборатории технологической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН Андрей Мамыкин.

Установка создана в рамках крупного научного проекта «Фундаментальная механика в новых материалах, конструкциях, технологиях».

Текст: Ирина Мизева.
Источник: ИМСС УрО РАН.