Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

Все выпуски

Все выпуски
 
2024 Выпуск 6
(в работе)
 
2024 Выпуск 5
 
2024 Выпуск 4
 
2024 Выпуск 3
 
2024 Выпуск 2
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

S. I. Banshchikov, I. V. Kolesnichenko, A. O. Poluyanov, and R. I. Khalilov

SPIN-UP OF THE VORTEX FLOW OF LIQUID METAL IN A THIN LAYER PLACED IN AN ALTERNATING MAGNETIC FIELD

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.069-078

The paper studies the transient nonequilibrium modes of a vortex flow in a thin liquid metal layer. The flow is caused by electromagnetic forces generated by the interaction of an alternating magnetic field and electric current induced by it. The most stable variant of the flow, in the form of two large-scale vortices, is studied. In this instance, the region where the alternating magnetic field is generated is situated in close proximity to the edge of the longer side of the rectangular liquid metal layer. Upon activation of the inductor, the flow evolves from rest to some equilibrium state. Conversely, upon deactivation, the flow diminishes. The study is conducted on a gallium eutectic alloy by means of an ultrasonic Doppler velocimeter. Two parameters determining the intensity of the force action are varied: the strength and frequency of the electric current flowing through the inductor windings. The durations of flow evolution and decay depending on the varying process parameters are evaluated. Vortex flow studies can be useful for designing MHD pumps and for stirring liquid metals.

Acknowledgement: The work was performed according to state assignment No. 122030200191-9.

Keywords: experiment with liquid metal, magnetohydrodynamics, transient modes, thin layer, electrovortex flow evolution, ultrasonic Doppler velocimeter

References:

  1. Kolesnichenko, I., Khalilov, R., and Khripchenko, S. Vortical flow of conducting fluid driven by an alternating magnetic field in a plane channel. Magnetohydrodynamics, 2007, 43 (1), 45–52. DOI: 10.22364/mhd.43.1.5.
  2. Khalilov, R.I., Mamykin, A.D., Okatev, R.S., and Kolesnichenko, I.V. The impact of flow induced by rotating magnetic fields on processes in a molten conductive medium. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2023, 3, 6–16. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.006-016. Available at: http://dream-journal.org/issues/2023-3/2023-3_396.html
  3. Cramer, A., Galindo, V., and Zennaro, M. Frequency dependence of an alternating magnetic field driven flow. Magnetohydrodynamics, 2015, 51 (1), 133–148. DOI: 10.22364/mhd.51.1.13.
  4. Sarma, M., Grants, I., Herrmannsdörfer, T., and Gerbeth, G. Contactless generation of cavitation in high temperature liquid metals and its impact on particle dispersion in solidified iron and steel samples. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 291, 117041. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117041.
  5. He, Y., Tang, J., Kalantar-Zadeh, K., Dickey, M.D., and Wang, X. Noncontact rotation, levitation, and acceleration of flowing liquid metal wires. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2022, 119 (6), e2117535119. DOI: 10.1073/pnas.2117535119.
  6. Nikulin, I.L. and Perminov, A.V. Simulation of the averaged flow of a metal melt in an alternating magnetic field with variable amplitude and frequency. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2020, 93 (3), 556–566. DOI: 10.1007/s10891-020-02153-0.
  7. Moffatt, H.K. Electromagnetic stirring. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, 1991, 3 (5), 1336–1343. DOI: 10.1063/1.858062.
  8. Wang, X., Wang, S., Zhang, L., Sridhar, S., Conejo, A., and Liu, X. Analysis on the deflection angle of columnar dendrites of continuous casting steel billets under the influence of mold electromagnetic stirring. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2016, 47 (11), 5496–5509. DOI: 10.1007/s11661-016-3695-0.
  9. Timofeev, V., Pervukhin, M., Vinter, E., and Sergeev, N. Behavior of non-conducting particles in molten aluminium cast into electromagnetic molds. Magnetohydrodynamics, 2020, 56 (4), 459–472. DOI: 10.22364/mhd.56.4.10.
  10. Listratov, Ya.I., Razuvanov, N.G., Belyaev, I.A., and Sviridov, E.V. Dynamics of submerged jet flow in a pipe in a longitudinal magnetic field. Computational Continuum Mechanics, 2023, 15 (4), 480–494. (In Russian). DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.37.
  11. Losev, G. and Kolesnichenko, I. Structure of MHD vortex flows in a thin layer of liquid metal. Magnetohydrodynamics, 2019, 55 (1–2), 97–105. DOI: 10.22364/mhd.55.1-2.12.
  12. Losev, G.L., Khalilov, R.I., and Kolesnichenko, I.V. Experimental investigation of characteristics of liquid metal flow generated by alternating magnetic field. Vestnik Permskogo Universiteta. Fizika, 2017, 4 (38), 11–18. (In Russian). DOI: 10.17072/1994-3598-2017-4-11-18.
  13. Dobosz, A., Plevachuk, Yu, Sklyarchuk, V., Sokoliuk, B., and Gancarz, T. Thermophysical properties of the liquid Ga-Sn-Zn eutectic alloy. Fluid Phase Equilibria, 2018, 465, 1–9. DOI: 10.1016/j.fluid.2018.03.001.
  14. Losev, G. and Kolesnichenko, I. The influence of the waveguide on the quality of measurements with ultrasonic Doppler velocimetry. Flow Measurement and Instrumentation, 2020, 75, 101786. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2020.101786.
  15. Liu, K., Stefani, F., Weber, N., Weier, T., and Li, B.W. Numerical and experimental investigation of electro-vortex flow in a cylindrical container. Magnetohydrodynamics, 2020, 56 (1), 27–41. DOI: 10.22364/mhd.56.1.3.
  16. Zürner, T., Schumacher, J., Schindler, F., Vogt, T., and Eckert, S. Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection. Journal of Fluid Mechanics, 2019, 876, 1108–1128. DOI: 10.1017/jfm.2019.556.
  17. Franke, S., Räbiger, D., Galindo, V., Zhang, Y., and Eckert, S. Investigations of electrically driven liquid metal flows using an ultrasound Doppler flow mapping system. Flow Measurement and Instrumentation, 2016, 48, 64–73. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2015.09.004.
  18. Ozernykh, V.S., Losev, G.L., Golbraikh, E., and Kolesnichenko, I.V. Initial stage of formation of vortex flow in an inductor with counter-rotating magnetic fields. Computational Continuum Mechanics, 2023, 16 (4), 493–503. (In Russian). DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.4.41.

С. И. Банщиков, И. В. Колесниченко, А. О. Полуянов, Р. И. Халилов

РАЗГОН ВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В ПЛОСКОМ СЛОЕ, ПОМЕЩЕННОМ В ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Работа посвящена изучению переходных неравновесных режимов вихревого течения в плоском слое жидкого металла. Течение вызвано действием электромагнитных сил, возникающих при взаимодействии переменного магнитного поля и индуцированного им электрического тока. Для исследования выбран наиболее устойчивый вариант течения в виде двух крупномасштабных вихрей. В данном случае область, в которой генерируется переменное магнитное поле, расположена рядом с краем длинной стороны прямоугольного слоя жидкого металла. При включении индуктора течение развивается из состояния покоя до некоторого равновесного состояния, а при отключении индуктора, наоборот, затухает. Исследование выполнено на галлиевой эвтектике с помощью ультразвукового доплеровского анемометра. В данной работе варьируются два параметра, определяющие интенсивность силового воздействия: сила и частота электрического тока, который течет по обмоткам индуктора. Получена оценка времени развития и затухания течения в зависимости от варьируемых параметров процесса. Исследования вихревых течений могут быть полезны при проектировании МГД-насосов, а также для перемешивания жидких металлов.

Благодарность: Работа выполнена в соответствии с государственным заданием № 122030200191-9.

Ключевые слова: эксперимент с жидким металлом, магнитная гидродинамика, переходные режимы, плоский слой, развитие вихревого течения, ультразвуковой доплеровский анемометр

Библиография:

  1. Kolesnichenko I., Khalilov R., Khripchenko S. Vortical flow of conducting fluid driven by an alternating magnetic field in a plane channel // Magnetohydrodynamics. – 2007. – Vol. 43, No. 1. – P. 45–52. – DOI: 10.22364/mhd.43.1.5.
  2. The impact of flow induced by rotating magnetic fields on processes in a molten conductive medium / R. I. Khalilov, A. D. Mamykin, R. S. Okatev, I. V. Kolesnichenko // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2023. – Iss. 3. – P. 6–16. – DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.006-016. – URL: http://dream-journal.org/issues/2023-3/2023-3_396.html
  3. Cramer A., Galindo V., Zennaro M. Frequency dependence of an alternating magnetic field driven flow // Magnetohydrodynamics. – 2015. – Vol. 51, No. 1. – P. 133–148. – DOI: 10.22364/mhd.51.1.13.
  4. Contactless generation of cavitation in high temperature liquid metals and its impact on particle dispersion in solidified iron and steel samples / M. Sarma, I. Grants, T. Herrmannsdörfer, G. Gerbeth // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 291. – P. 117041. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117041.
  5. Noncontact rotation, levitation, and acceleration of flowing liquid metal wires / Y. He, J. Tang, K. Kalantar-Zadeh, M. D. Dickey, X. Wang // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 2022. – Vol. 119, No. 6 – P. e2117535119. – DOI: 10.1073/pnas.2117535119.
  6. Nikulin I. L., Perminov A. V. Simulation of the averaged flow of a metal melt in an alternating magnetic field with variable amplitude and frequency // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2020. – Vol. 93, No. 3. – P. 556–566. – DOI: 10.1007/s10891-020-02153-0.
  7. Moffatt H. K. Electromagnetic stirring // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. – 1991. – Vol. 3, iss. 5. – P. 1336–1343. – DOI: 10.1063/1.858062.
  8. Analysis on the deflection angle of columnar dendrites of continuous casting steel billets under the influence of mold electromagnetic stirring / X. Wang, S. Wang, L. Zhang, S. Sridhar, A. Conejo, X. Liu // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. –  2016. – Vol. 47, No. 11. – P. 5496–5509. – DOI: 10.1007/s11661-016-3695-0.
  9. Behavior of non-conducting particles in molten aluminium cast into electromagnetic molds / V. Timofeev, M. Pervukhin, E. Vinter, N. Sergeev // Magnetohydrodynamics. – 2020. – Vol. 56, No. 4. – P. 459–472. – DOI: 10.22364/mhd.56.4.10.
  10. Динамика затопленного струйного течения в трубе в продольном магнитном поле / Я. И. Листратов, Н. Г. Разуванов, И. А. Беляев, Е. В. Свиридов // Вычислительная механика сплошных сред. – 2023. – Т. 15, № 4. – С. 480–494. – DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.37.
  11. Losev G, Kolesnichenko I. Structure of MHD vortex flows in a thin layer of liquid metal // Magnetohydrodynamics. – 2019. – Vol. 55, Nos. 1–2. – P. 97–105. – DOI: 10.22364/mhd.55.1-2.12.
  12. Лосев Г. Л., Халилов Р. И., Колесниченко И. В. Экспериментальное исследование характеристик течения жидкого металла, вызванного переменным магнитным полем // Вестник Пермского университета. Физика. – 2017. – № 4 (38). – С. 11–18. – DOI: 10.17072/1994-3598-2017-4-11-18.
  13. Thermophysical properties of the liquid Ga-Sn-Zn eutectic alloy / A. Dobosz, Yu Plevachuk, V. Sklyarchuk, B. Sokoliuk, T. Gancarz // Fluid Phase Equilibria. – 2018. – Vol. 465. – P. 1–9. – DOI: 10.1016/j.fluid.2018.03.001.
  14. Losev G., Kolesnichenko I. The influence of the waveguide on the quality of measurements with ultrasonic Doppler velocimetry // Flow measurement and instrumentation. – 2020. – Vol. 75. – P. 101786. – DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2020.101786.
  15. Numerical and experimental investigation of electro-vortex flow in a cylindrical container / K. Liu, F. Stefani, N. Weber, T. Weier, B. W. Li // Magnetohydrodynamics. – 2020. – Vol. 56, No. 1. – P. 27–41. – DOI: 10.22364/mhd.56.1.3.
  16. Combined measurement of velocity and temperature in liquid metal convection / T. Zürner, J. Schumacher, F. Schindler, T. Vogt, S. Eckert // Journal of Fluid Mechanics. – 2019. – Vol. 876. – P. 1108–1128. – DOI: 10.1017/jfm.2019.556.
  17. Investigations of electrically driven liquid metal flows using an ultrasound Doppler flow mapping system / S. Franke, D. Räbiger, V. Galindo, Y. Zhang, S. Eckert // Flow Measurement and Instrumentation. – 2016. – Vol. 48. – P. 64–73. – DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2015.09.004.
  18. Начальная стадия формирования вихревого течения в индукторе с вращающимися встречно магнитными полями / В. С. Озерных, Г. Л. Лосев, Е. Голбрайх, И. В. Колесниченко // Вычислительная механика сплошных сред. – 2023. – Т. 16, № 4. – С. 493–503. – DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.4.41.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

Spin-up of the Vortex Flow of Liquid Metal in a Thin Layer Placed in An Alternating Magnetic Field / S. I. Banshchikov, I. V. Kolesnichenko, A. O. Poluyanov, and R. I. Khalilov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 5. - P. 69-78. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.069-078. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_468.html
(accessed: 21.12.2024).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2024, www.imach.uran.ru