Multicomponent local Lorentz force velocimetry

Hernández, Daniel GND

Lorenztkraft-Anemometrie (LKA oder LFV) ist ein berührloses elektromagnetisches Strömungsmessverfahren für Flüssigmetalle. Durch eine Relativbewegung zwischen einem elektrischen leitfähigen Fluid und einem statisch angelegten Magnetfeld werden Wirbelströme und eine strömungsbremsende Lorentzkraft erzeugt. Diese Kraft ist proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit des Fluides und zu der Durchflussrate oder zu der lokalen Geschwindigkeit, welche abhängig von dem Anteil des durch das Magnetfeld aufgespannten Volumens ist. Gemäß dem dritten Newtonschen Gesetz wirkt eine gleich starke, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft auf die Quelle des angelegten Magnetfeldes, die in unserem Fall Permanentmagnete sind. Entsprechend dem Ohm'schen Gesetz induzieren bewegende elektrisch leitfähige Fluide bei niedrigen magnetischen Reynolds-Zahlen ein elektrisches Potential, das die Ladungserhaltung gewährleistet. Diese Arbeit beginnt mit der Untersuchung des Beitrags des induzierten elektrischen Potentials in der gesamten Lorentzkraft. Dieses Problem wird numerisch und experimentell analysiert, indem zwei verschiedene Szenarien betrachtet werden: elektrisch leitfähige Wände mit endlicher Dicke und Aspektverhältnisvariation des Strömungsquerschnitts. In beiden Fällen stand die durch das elektrische Potential erzeugte Kraftkomponente immer entgegen der gesamten Lorentzkraft. Diese Kraftkomponente war empfindlich gegenüber den elektrischen Randbedingungen der Strömung, von denen isolierte und perfekt leitende Wände die Grenzfälle sind. Es wird gezeigt, dass die messbare Lorentzkraft beträchtlich erhöht werden kann, wenn die aus dem elektrischen Potential stammende Kraftkomponente verringert wird, indem entweder die elektrische Leitfähigkeit der Wand oder das Querschnittsverhältnis der Strömung verändert wird. Daher kann die Empfindlichkeit der Messtechnik erheblich verbessert werden. Im Anschluss an dieser Analyse konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die lokale Multikomponenten-Lorentzkraft-Anenometrie. Diese Technik basiert auf der Messung aller auf den Magnetsystemen wirkenden Kraft- und Drehmomentkomponenten. In diesem Fall sind die Magnetsysteme deutlich kleiner als der Strömungsquerschnitt. Die kleinen Magnetsysteme induzieren eine lokalisierte Magnetfeldverteilung im flüssigen Metall, die eine lokale aufgelöste Geschwindigkeitsmessung von flüssigem Metall ermöglichen. Die lokale Multikomponenten-Lorentzkraft-Anenometrie wurde mittels einer stetigen dreidimensionalen turbulenten Strömung innerhalb der Kokille eines Stranggussmodells untersucht, wobei das Arbeitsfluid GaInSn in eutektischer Zusammensetzung war. Die aus kubischen und kreuzförmigen Permanentmagneten bestehenden Magnetsysteme wurden an einem Sensor befestigt, der speziell für die gleichzeitige Erfassung aller drei Kraft- und drei Drehmomentkomponenten entwickelt wurde. Mit diesem Sensor war es möglich, Informationen über die dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung des flüssigen Metalls innerhalb der Kokille in der Nähe der Magneten zu erhalten. Zusätzlich könnte unter Verwendung eines kreuzförmigen Magneten das Drehmoment in der Feldrichtung des Magneten gemessen werden. Gemäß einem numerischen Modell der Experimente korreliert dieses Drehmoment mit der Wirbelstärke des Geschwindigkeitsfeldes in dieser Richtung.

Lorentz force velocimetry (LFV) is a contactless velocity measurement technique for liquid metals. Due to the relative motion between an electrically conductive fluid and a static applied magnetic field, eddy currents and a flow-braking Lorentz force are generated inside the metal melt. This force is proportional to the electrical conductivity of the fluid and to the flow rate or local velocity, depending on the portion of the flow volume spanned by the magnetic field. Due to Newton's third law, a force of the same magnitude but in the opposite direction acts on the source of the applied magnetic field, which are permanent magnets in our case. According to Ohm's law, moving conductors at low magnetic Reynolds numbers induce an electric potential that ensures charge conservation. This thesis begins with a study of the contribution of the induced electric potential in the total Lorentz force. This problem is numerically and experimentally analyzed by considering two different scenarios: conducting walls of finite thickness and the aspect ratio variation of the flow cross-section. In both cases, the force component generated by the electric potential always opposed the total Lorentz force. This force component was sensitive to the electric boundary conditions of the flow, of which insulating and perfectly conducting walls are the two limiting cases. It is shown that the measurable Lorentz force can be considerably increased when the force component originating from the electric potential is decreased, by either changing the electrical conductivity of the wall or by modifying the aspect ratio of the cross-section of the flow. Hence, the sensitivity of the measurement technique can also be significantly improved. Following this analysis, this thesis focuses on multicomponent local Lorentz force velocimetry. This technique is based on the measurement of all force and torque components acting on magnet systems that are significantly smaller than the cross-section of the flow. In this scenario, the rapid decay of magnetic fields induces a localized magnetic field distribution in the liquid metal allowing a local velocity assessment. Multicomponent local Lorentz force velocimetry was studied using a steady three-dimensional turbulent flow inside the mold of a continuous casting model, where the working fluid was GaInSn in eutectic composition. The magnet systems composed of cubic and cross-shaped permanent magnets were attached to a sensor that was specially developed to simultaneously record all three force and three torque components. With this sensor, it was possible to obtain information on the three-dimensional velocity distribution of the liquid metal inside the mold in the region adjacent to its wall next to the magnet. Additionally, by using a cross-shaped magnet, the torque in the direction of magnetization of the magnet could be measured. According to a numerical model of the experiments, this torque correlates with the curl of the velocity field in this direction.

Zitieren

Zitierform:

Hernández, Daniel: Multicomponent local Lorentz force velocimetry. Ilmenau 2018.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export