Non-contact flow rate measurements in turbulent liquid metal duct flow using time-of-flight Lorentz force velocimetry

Dubovikova, Nataliia

Measuring flow rates of liquid metal flows is of utmost importance in industrial applications such as metal casting, in order to ensure process efficiency and product quality. Contact based methods fail as the measurement probes cannot withstand the hot and chemically aggressive environment in the flow. Optical methods too are unsuitable due to the opacity of liquid metals. Hence non-contact techniques have been the most promising for such flow measurements. One of such techniques of recent interest is known as Lorentz force velocimetry (LFV), the principle of which is to determine flow rates through measurement of Lorentz force that act on magnet systems that are placed close to the flow. However, this method also depends on the electrical conductivity of the fluid and the applied magnetics flux density, which are not known a priori in a typical scenario. This shortcoming is overcome by combining the classical LFV with the time-of-flight principle, which is known as time-of-flight LFV. In this method, a vortex generator is used to generate an eddy in the flow, with two magnet system separated by a known distance placed downstream of the vortex generator. Each of the magnet systems has a force sensor attached to them which detects the passing of the eddy through its magnetic field as a significant perturbation in the force signal. The flow rate is estimated from the time span between the perturbations in the two force signals. In this thesis, time-of-flight LFV technique is demonstrated experimentally for the case of liquid metal flow in a closed rectangular duct loop that is driven by an electromagnetic pump. A liquid metal alloy of gallium (Ga), indium (In) and tin (Sn) -- GaInSn -- is used as the working fluid. In contrast to prior works, for the first time, three-dimensional strain gauge force sensors were used for measuring Lorentz force to investigate the effect of flow disturbances in different direction for flow measurements by time-of-flight LFV method. A prototype time-of-flight LFV flowmeter is developed, the operation of which in laboratory conditions is characterized by different experiments. Furthermore, different methods of vortex generation and their relative effectiveness have been systematically studied.

Die Durchflussmenge von Flüssigmetallströmungen zu bestimmen ist in industriellen Anwendungen wie der Gießereitechnik von größter Bedeutung, um Prozesseffizienz und Produktqualität zu gewährleisten. Invasive Messmethoden versagen hierbei, da die Elektroden dem heißen und chemisch aggressiven Medium nicht dauerhaft standhalten können. Durch die Opazität des flüssigen Metalls entfallen optische Methoden ebenfalls. Kontaktlose Messverfahren bieten deshalb eine vielversprechende Lösung für derartige Durchflussmessungen. Ein derartiges Verfahren, welches derzeit Gegenstand der Forschung ist, ist die Lorentzkraftanemometrie (Lorentz Force Velocimetry, LFV). Eine mögliche Abhilfe für dieses Defizit bietet eine Kombination der klassischen Lorentzkraftanemometrie mit einem Laufzeitmessverfahren (time-of-flight), die sogenannte time-of-flight LFV. Hierbei wird durch einen Wirbelgenerator ein Wirbel im Fluss erzeugt, welcher zwei in bekanntem Abstand stromabwärts positionierte Magnetsysteme durchläuft. An jedem der Magnetsysteme ist ein eigener Kraftmesssensor angebracht, der den das Magnetfeld durchlaufenden Wirbel in Form einer signifikanten Störung des Kraftsignals wahrnimmt. Anhand der Zeitdifferenz der Störung der beiden Kraftsignale kann auf die Durchflussrate geschlossen werden. Die vorliegende Dissertation untersucht experimentell die time-of-flight LFV unter Verwendung eines Flüssigmetallstromes in einem geschlossenen, rechteckigen Kanal welcher von einer elektromagnetischen Pumpe angetrieben wird. Als Arbeitsfluid dient dabei eine bei Raumtemperatur flüssige Legierung aus Gallium (Ga), Indium (In) und Zinn (Sn) – (GaInSn). Im Gegensatz zu vorangegangenen Arbeiten werden dabei erstmals dreiachsige Kraftsensoren zur Messung der Lorentzkraft verwendet, um die Effekte der eingebrachten Störungen auf die time-of-flight LFV Durchflussmessung in verschiedenen Richtungen zu untersuchen. Dazu wurde der Prototyp eines time-of-flight LFV Durchflussmessgerätes entwickelt und unter Laborbedingungen durch verschiedene Experimente charakterisiert. Ein neues Pumpsystem, welches eine elektromagnetische Pumpe nutzt, wurde getestet und auf die Verwendbarkeit als Flussanregung für zukünftige Anwendungen des Kanals getestet. Ferner wurden unterschiedliche Methoden zur Erzeugung der Wirbel und ihre relative Effektivität systematisch untersucht.

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Dubovikova, Nataliia: Non-contact flow rate measurements in turbulent liquid metal duct flow using time-of-flight Lorentz force velocimetry. Ilmenau .

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