МЕТОД ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ СКОРОСТИ КРУПНОМАСШТАБНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРИ ТУРБУЛЕНТНОЙ КОНВЕКЦИИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В НАКЛОННОМ ЦИЛИНДРЕ

Исследованы возможности метода температурных корреляций для получения средней скорости турбулентного течения жидкого металла, использующего сигналы с датчиков температуры, расположенных в ряд по направлению движения крупномасштабной циркуляции. Этот косвенный метод, в отличие от других более традиционных методов, может использоваться для измерений в расплавленных металлах, являющихся агрессивной и непрозрачной средой. Метод основан на гипотезе Тейлора о вмороженности поля температурных возмущений в поле скорости при некотором уровне турбулентности потока. Фиксируя прохождение таких возмущений через датчики температуры, можно вычислить скорость потока. В реальных установках, как правило, течение неоднородно, и развитая турбулентность возникает не во всем объеме полости. Поэтому, хотя метод и является абсолютным и не нуждается в тарировке, его нужно проверять на применимость в каждом конкретном случае. В данной работе метод применяется для задачи о турбулентной конвекции жидкого натрия (число Прандтля Pr = 0.0083) в цилиндре, длина которого в 5 раз больше диаметра, нагреваемого с одного торца, и охлаждаемого с другого. Рассмотрены режимы течения при наклоне цилиндра от вертикали на угол β, 18∘ ⩽ β ⩽ 90∘. Число Рэлея, определенное через диаметр, составляло 5·106. Проведен анализ данных экспериментального исследования и численного трехмерного расчета. В последнем случае достоверно известна скорость течения, которую можно напрямую сравнить с оценками, полученными с помощью кросскорреляционного анализа. Показано, что метод температурных корреляций не всегда позволяет достоверно оценить средние скорости крупномасштабных регулярных потоков натрия, т.е. имеет свои ограничения. Метод хорошо работает в условиях умеренных турбулентных пульсаций температуры и скорости. Наибольшую ошибку метод дает вблизи теплообменников по ходу течения – на этом примере предложено наглядное объяснение причины такой ошибки. Получена нелинейная зависимость амплитуды скорости крупномасштабной циркуляции от угла наклона цилиндра с максимумом вблизи 45∘. Положение максимума этой зависимости отличается от такового в цилиндре с аспектным отношением 20 (60∘–70∘).

кросскорреляционный анализ, измерение скорости, метод температурных корреляций, конвекция, турбулентность, малые числа Прандтля, жидкий металл