Local Lorentz Force Velocimetry for liquid metal duct flows

Heinicke, Christiane GND

Metallschmelzen sind heiß, chemisch aggressiv und undurchsichtig, und damit für konventionelle Strömungsmessgeräte unzugänglich. Die neu entwickelte Lorentzkraft-Anemometrie (LKA oder LFV) umgeht diese Probleme, da sie die berührungslose Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten mit Hilfe von Magnetfeldern erlaubt. Dabei ist die Wechselwirkung zwischen dem eingesetzten Permanentmagneten und der leitfähigen, bewegten Flüssigkeit ein Maß für die Geschwindigkeit der Metallschmelze. Die Standard-LKA wurde bereits ausgiebig untersucht und wird für den industriellen Alltag entwickelt. Bisher beschränkte sich die LKA auf Volumenstrommessungen; Störungen des Geschwindigkeitfeldes, wie sie nach Knicken im Strömungskanal oder durch Ablagerungen an der Kanalwand entstehen, konnten bislang nicht aufgelöst werden. Diese Lücke wird mit der vorliegenden Arbeit geschlossen und die Standard-LKA um die Möglichkeit der lokal aufgelösten Geschwindigkeitsmessung erweitert. Insbesondere wird belegt, dass lokale Messungen mit der LKA trotz der prinzipiell unendlichen Ausdehnung des Magnetfeldes möglich sind.Zu diesem Zweck werden verschiedene Experimente durchgeführt. In allen wird ein Lorentzkraft-Anenometer (LFF) mit einem Permanentmagneten ausgestattet, der deutlich kleiner ist als die typischen Längenskalen der zu untersuchenden Strömung. Das Arbeitsmedium ist die bei Raumtemperatur flüssige Legierung GaInSn.Mit einem Vorexperiment wird gezeigt, dass die winzigen erzeugten Kräfte tatsächlich aufgelöst werden können. Die Erkenntnisse aus dem vorläufigen Aufbau flossen in den Aufbau des Hauptexperiments, das aus einem Kanal mit quadratischem Querschnitt und einem interferenzoptischen Kraftmesssystem besteht. Die erhaltenen Kraftprofile dienen der Validierung von zukünftigen numerischen Simulationen. Wichtiger ist jedoch die Charakterisierung der Anwendungsbereiche des lokalen LFF mit Hilfe bestimmter Modifikationen des Strömungsprofils: (1) Laminare Strömungen können von turbulenten Strömungen unterschieden werden. (2) Das Maximum der mittleren Strömung kann lokalisiert werden. (3) Zwei benachbarte Strahlen können trotz des prinzipiell unendlichen Magnetfelds voneinander unterschieden werden. (4) Die zeitliche Auflösung ist ausreichend um Bereiche besonders hoher Turbulenz und Wirbelablösung zu identifizierern.

Metal melts are typically hot, aggressive, and opaque, and are therefore inaccessible to conventional flow measurement techniques. Lately, a non-contact technique has been developed, termed Lorentz Force Velocimetry (LFV), which is based on the interaction of an electrically conductive moving fluid with a magnetic field. The magnet providing the field experiences a Lorentz force which can be detected and depends on the velocity of the moving metal.Standard LFV has been studied in detail and is now operational under industrial conditions. However well working, the standard LFV is designed for volume flux measurements with large magnet systems and therefore cannot resolve local velocity disturbances as might be caused by sharp bends in the flow or deposits on the pipe wall. The thesis at hand bridges that gap and extends Lorentz Force Velocimetry to the locally resolved measurement of flow velocities with a small magnet. It shows that the claim of local measurements is appropriate although the magnetic field employed is generally unbounded.Several experiments are performed to achieve this goal. All have in common that a Lorentz Force Flow meter (LFF) is equipped with a permanent magnet whose dimensions are significantly smaller than that of the duct flow under investigation. The working fluid is the eutectic alloy GaInSn which is liquid at room temperature. A first preliminary setup uses a rectangular duct and a strain gauge-based force measurement system to prove that the principle of local LFV is feasible and the tiny forces involved can indeed be detected. The results from this setup have been used to design the more sophisticated main setup with a square duct and an interference optical force measurement system.The obtained force profiles provide a database for validating future numerical simulations. More importantly, certain modifications to the flow help characterize the scope of the local LFF: (1) A laminar flow can reliably be distinguished from a turbulent flow. (2) The maximum of the mean flow can be located. (3) Two close jets can be readily distinguished despite the generally infinitely extending magnetic field. (4) Temporal resolution is sufficient to identify regions of particularly high turbulence and vortex shedding.

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Heinicke, Christiane: Local Lorentz Force Velocimetry for liquid metal duct flows. 2013.

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