Elektromagnētiski ietekmētu hidrodinamisko procesu eksperimentāli pētījumi šķidru metālu noslēgtos tilpumos

Abstract

Promocijas darbs veidots kā paplašināts kopsavilkums par 18 zinātnisku publikāciju kopu, kas veltīta šķidru metālu kustības dinamikai noslēgtos tilpumos apstākļos, kad to ietekmē ārēji uzlikts magnētiskais lauks, kā pastāvīgs, tā arī laikā mainīgs. Praktiski visi darbi ir autora plānotu un realizētu fizikālu eksperimentālu modeļu izpētes izklāsts, kas iekļaujas magnētiskās hidrodinamikas jomā. Darbā atspoguļoti eksperimentālie rezultāti par dažādu ārēji rosinātu faktoru veidotu šķidra metāla kustību, katrā atsevišķā modelī izdalot vienu dominējošo. Aprakstītas kausējumu plūsmas, ko rada virkne dažādu iedarbību uz elektriski vadošo šķidrumu noslēgtos tilpumos: 1) augstfrekvences lauka inducēta elektromagnētiska spēka izraisīta plūsma; 2) diferenciālas cieto robežu rotācijas veidotā plūsma pastāvīgā magnētiskā laukā; 3) siltuma plūsmas rosināta naturālā konvekcija pastāvīgā magnētiskā laukā; 4) termokapilārā jeb Marangoni konvekcija un 5) termoelektrisko strāvu mijiedarbības ar magnētisko lauku veidotas plūsmas. Tiek dots arī eksperimentālo modeļu veidošanas īpatnību un mērījumu metodikas izklāsts apstākļos, kad pētījumu vide ir šķidrs metāls – necaurspīdīgs, ļoti labi siltumu vadošs un parasti arī ar ļoti augstu blīvumu. Sevišķa uzmanība pievērsta šķidruma kustības stabilitātei un turbulencei elektromagnētisko spēku ietekmē. Kaut arī kopsavilkumā iztirzātās publikācijas aptver vismaz divdesmit gadu periodu, tās publicēšanas laikā, nenoliedzami, sniedza jaunas atziņas un pārsvarā ir aktuālas arī šodien. Apskatīto fizikālo modeļu eksperimentālā izpētē gūtie rezultāti svarīgi praksei: pusvadītāju audzēšanai no šķidrās fāzes, metālu sakausējumu kristalizācijai, šķidru metālu izmantošanai kodolenerģētikas iekārtu dzesēšanai utt. Gūtie eksperimentālie dati sevišķi svarīgi fizikālo procesu skaitliskās modelēšanas testēšanai.

Thesis of Ph. D. degree pretender is presented as an extended summary of a set of 18 scientific papers dedicated to liquid metal flows in enclosures under impact of an external magnetic field, steady as well as alternating. All the papers are the publications of the experimental physical model investigations in the field of Magneto-hydrodynamics conceived and done by the pretender. Presented experimental results describe liquid metal flows induced by various external factors in the models, but highlighting one dominant in each of the cases. The described electrically conducting melt flows are driven by various distinct external driving forces: 1) high frequency electromagnetic field induced flow; 2) flow resulting from differential rotation of the enclosure boundaries under impact of a steady magnetic field; 3) heat flux driven natural convection in a presence of a steady magnetic field; 4) thermocapillary or Marangoni convection and 5) flows resulting from interaction of thermoelectric current with magnetic field. The discussion includes specific methods of designing experimental models and measurement techniques for the case when investigated media is liquid metal – optically opaque, highly thermally conducting and mostly with high density. Stability and turbulence of the fluid under impact of the electromagnetic forcing is highlighted. Even if the summary reflects publications made during a period of twenty years, at the moment of publishing delivered results were fresh and mostly remain of interest also currently. Described results of experimental investigations are relevant in the applied fields: semiconductor crystal melt growth; metallic alloy solidification; liquid metal cooling systems for nuclear energy etc. The experimental results are especially relevant to verify the numerical simulations of the physical phenomena.