Πειραματική διερεύνηση μαγνητοϋδροδυναμικών ροών με χρήση της τεχνικής 2D-PIV

Abstract

Στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής εργασίας μελετήθηκε πειραματικά το πεδίο ροής (χρήση μετρητικής τεχνικής 2D-PIV) ενός ηλεκτρικά αγώγιμου ρευστού υπό την παρουσία ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Το ρευστό ήταν διάλυμα αλατιού σε νερό, με αναλογία 15% κατά βάρος, τοποθετημένο σε δεξαμενή κατασκευασμένη από Plexiglas, με διαστάσεις 45 mm x 55 mm, βάθους 6 mm, με ελεύθερη επιφάνεια. Δυο κατακόρυφες πλάκες αλουμινίου σε απόσταση 45 mm αποτελούσαν τα ηλεκτρόδια της διάταξης, τα οποία με τη βοήθεια πηγής συνεχούς ρεύματος προκαλούσαν ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του ρευστού, έντασης έως 1.2A και μέγιστης τάσης 14V. Κάτω από τη δεξαμενή ήταν τοποθετημένοι μόνιμοι μαγνήτες σχήματος ορθογώνιου παραλληλεπιπέδου, μαγνητικής επαγωγής 50 mT σε απόσταση 6 mm από την επιφάνειά τους, για την παραγωγή κατακόρυφου μαγνητικού πεδίου, χωρικά μεταβαλλόμενου. Χρησιμοποιήθηκε επίσης και ένας τοροειδής μαγνήτης. Υπό τη δράση των δυνάμεων Lorentz, το ρευστό τίθετο σε κίνηση. Κύριο χαρακτηριστικό της ροής ήταν η παρουσία δινών των οποίων ο αριθμός, η θέση και η κυκλοφορία μεταβάλλονταν με τον χρόνο. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διατάξεις μαγνητών και έγινε μέτρηση του πεδίου ταχυτήτων στο μέσον του βάθους του ρευστού δηλ. σε απόσταση 3 mm από τον πυθμένα. Βασικά συμπεράσματα: α) Στη διάταξη 4 μαγνητών, αρχικώς το πεδίο αποτελείται από 8 δίνες, με τα κέντρα τους να βρίσκονται σε δυο παράλληλες γραμμές κάθετες στο ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά αργότερα μειώνεται ο αριθμός τους σε 4 μεγάλες δίνες. Αυξανόμενης της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, οι ταχύτητες του ρευστού και οι διαταρχές τους αυξάνουν (μέγιστη ταχύτητα 50 mm/s και τυπική απόκλιση 25 mm/s). Η μέση κινητική ενέργεια του πεδίου ροής (70 έως 500 mm2 /s 2 ) αυξάνει με γρήγορο ρυθμό αρχικώς, αλλά στη συνέχεια τείνει σε μια τιμή μέσω διακυμάνσεων. β) Στη διάταξη των 10 μαγνητών, αρχικώς το πεδίο αποτελείται από 4 δίνες με τα κέντρα τους να είναι σε μια ευθεία κάθετη στην κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος. Στη συνέχεια, ο αριθμός των δινών μειώνεται σε 2 δίνες ίδιας φοράς κυκλοφορίας, με τα κέντρα τους να βρίσκονται σε μια ευθεία που σχηματίζει μικρή γωνία με τις πλάκες των ηλεκτροδίων. Αυξανόμενης της τάσης, οι ταχύτητες του ρευστού και οι διαταραχές τους αυξάνουν, παίρνοντας η κινητική ενέργεια μεγαλύτερες τιμές (ακόμα και διπλάσιες) σε σχέση με την περίπτωση των 4 μαγνητών. γ) Στη διάταξη του τοροειδούς μαγνήτη, το πεδίο ροής αποτελείται από 4 δίνες με τα κέντρα τους να βρίσκονται κοντά στις 4 γωνίες της ορθογωνικής δεξαμενής από τις οποίες οι δυο δίνες είναι ισχυρότερες. Στην διάταξη αυτή, δεν παρουσιάστηκε μείωση του αριθμού των δινών με τον χρόνο. Αποσυνδέοντας την πηγή ρεύματος, η ροή επιβραδύνεται και οι αρχικά 4 δίνες μετατρέπονται σε 1 λίγο πριν ακινητοποιηθεί το ρευστό.