CN117367505A - 一种液态金属内部结构参数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液态金属内部结构参数的测量方法，属于液态金属热对流测量领域，包括如下步骤：在包含有液态金属的方形密闭腔体的侧壁外设置多个探针组；将每个所述探针组的热电偶插入方形密闭腔体并浸入液态金属中；在方形密闭腔体的侧壁外设置公共负极，以使热电偶通过与液态金属接触与公共负极形成温差电势回路；通过温差电势差测量液态金属内部结构局部温度；对方形密闭腔体侧面施加垂直方向的磁场，以使液态金属在流动时使位于同一平面的热电偶产生速度电势差；通过速度电势差测量出液态金属内部结构的速度。本发明得到的液态金属温度更精确，且能够得到液态金属内部结构的速度。
Description
技术领域
本发明属于液态金属热对流测量领域，具体涉及一种液态金属内部结构参数的测量方法。
背景技术
瑞利贝纳对流近年来成为实验流体力学的研究热点之一，不仅因为它在理解热驱动湍流的流动动力学方面的重要性，而且其与天体物理和地球物理现象具有紧密联系，如恒星对流和地球内部的地幔对流，同时，研究温差驱动的热对流对聚变装置内包层内部流动结构的研究具有指导意义。其不仅具有明显的工程应用价值，而且是研究封闭系统湍流的理想模型。对封闭系统热对流紊流的全面了解，将有助于阐明自然界中出现的一系列更复杂的对流问题。瑞利贝纳对流系统的主要部分为一个充满液体的密封腔体，上下板导热，侧壁面绝热，内部液体由上下板的温差驱动。密封腔体内部液体的流动结构的测量受到各种速度测量技术的限制，很难获得全局的速度场，这在一定程度上是由于大部分速度场的测量都局限于局部测量，在液体内部某一位置测量或者沿某一轴线进行扫描，因此大多数研究中仅通过局部温度测量来反映流动结构。对于透明液体而言，可以使用粒子成像技术(PIV)获得液体内部的全局速度分布，但对于不透明的液态金属便很难得到内部的全局速度分布，现有的研究方法大部分通过局部温度测量来反映流动结构。
对方形密封腔体内部液体的流动结构的测量，现有的研究方法是在腔体的侧壁面上布置热敏电阻，如图1所示，在4个侧壁的3个高度上分别布置2个热敏电阻，3个高度的间隔为腔体总高度的0.25倍，这样在每个水平面上都有8个在同一圆周上的热敏电阻，且这8个热敏电阻均匀分布在同一圆周上。每个热敏电阻通过侧壁面的盲孔布置在距离液体0.05cm的深度处，避免与液体接触。通过对每一高度平面上的8个热电偶的温度分析可以确定液体环流的平面以及液体环流的方向。
该测量方法使用了24个独立的热敏电阻对密封腔体的温度分布进行了局部的测量，通过温度的变化反映流动结构的变化，无法获得液体在密封腔体内流动的实际速度，同时热敏电阻并未接触到液体，温度信号的响应较慢，而且得到的温度信号的强度并不准确，不能精准的反映液体的实际流动情况。
发明内容
为了同时获得液态金属内部的温度分布和速度分布，本发明提供了一种液态金属内部结构参数的测量方法。包括如下步骤：
在包含有液态金属的方形密闭腔体的侧壁外设置多个探针组；
将每个所述探针组的热电偶插入方形密闭腔体并浸入液态金属中；
在方形密闭腔体的侧壁外设置公共负极，将公共负极一端浸入液态金属中，热电偶与公共负极通过液态金属形成温差电势回路；
通过温差电势差测量液态金属内部结构局部温度；
对方形密闭腔体侧面施加垂直方向的磁场，以使液态金属在流动时使位于同一平面的热电偶产生电势差；
通过速度电势差测量液态金属内部结构的速度。
优选的，多个所述探针组沿高度方向间隔设置于方形密闭腔体的侧壁外，位于同一高度的多个探针组沿周向均匀分布于方形密闭腔体的侧壁外。
优选的，每个所述探针组包括四个热电偶，两个所述热电偶位于竖直平面上，其余两个热电偶位于水平平面上，且位于同一平面上的两个所述热电偶的距离为2mm。
优选的，所述热电偶通过密封胶垂直固定在方形密闭腔体侧面。
优选的，每个所述热电偶的直径为0.5mm。
优选的，所述热电偶的材料为铜-康铜。
优选的，所述液态金属的材料为镓铟锡，施加的磁场强度为[0.1-1.5T]，所述热电偶浸入液态金属的深度大于液态金属在施加的磁场强度下在方形密闭腔体侧面形成的哈特曼层，所述哈特曼层的厚度为[0.022,0.33mm]。
优选的，所述哈特曼层的计算公式为：
式中，v为液态金属的运动粘度，ρ为密度，σ为电导率，B为磁场强度。
优选的，所述公共负极为一根独立的铜线，其安装在方形密封腔体的外侧，其一端插入方形密封腔体中与液态金属接触，作为所有热电偶的相对负极。
本发明提供的液态金属内部结构参数的测量方法具有以下有益效果：
本发明热电偶通过与液态金属接触与公共负极形成温差电势回路，通过温差电势差能够测量出液态金属内部结构局部温度，从而能够实时获得液态金属内部结构的温度，得到的温度值更精确；通过施加于方形密闭腔体侧面垂直的磁场，当液态金属流动时能够在位于同一平面的热电偶之间产生电势差，通过电势差能够测量出液态金属内部结构的速度，从而能够获得液态金属内部结构的实际流速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为方形密封腔体内部液体流动结构的测量示意图；
图2为本发明实施例的液态金属内部结构参数的测量方法的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例
本发明提供了一种液态金属内部结构参数的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在包含有液态金属的方形密闭腔体的侧壁外设置多个探针组，将每个所述探针组的热电偶插入方形密闭腔体并浸入液态金属中。
多个探针组沿高度方向间隔设置于方形密闭腔体的侧壁外，位于同一高度的多个探针组沿周向均匀分布于方形密闭腔体的侧壁外。每个所述探针组包括四个热电偶，两个所述热电偶位于竖直平面上，其余两个热电偶位于水平平面上，具体如图2所示。沿y高度方向分3个平面布置，每个平面内布置8个探针组，且这8个探针组均匀分布在同一圆周上，这样通过获得温度的分布能够确定液态金属环流的平面。每个单独的探针组如图2中的局部视图A-A或C-C所示，由4根直径0.5mm的铜-康铜焊接热电偶组成，并且沿水平方向(x轴或z轴)和竖直方向(y轴)各布置2根，沿同一方向的2根热电偶的距离为2mm，每根热电偶通过侧壁孔浸入液态金属中，浸入深度大于哈特曼层(v为液态金属的运动粘度，ρ为密度，σ为电导率，B为磁场强度)，液态金属为镓铟锡，其在磁场强度为[0.1-1.5T]范围内，哈特曼层的厚度为[0.022,0.33mm]，使用密封胶将热电偶固定在侧壁上以及保证密封性。
步骤2：在方形密闭腔体的侧壁外设置公共负极，将公共负极一端浸入液态金属中，热电偶与公共负极通过液态金属形成温差电势回路；通过温差电势差测量液态金属内部结构局部温度。
公共负极可以使用某一焊接热电偶中的铜材料或康铜材料，也可使用独立的铜材料或独立的康铜材料，本发明使用独立的铜材料作为公共负极，将一根独立的铜线安装在方形密封腔体的外侧，然后插入方形密封腔体中与液态金属接触，其作为所有热电偶的相对负极。首先，从理论上证明以独立铜材料为公共负极的可行性，取其中任意一根热电偶进行温差电势回路分析，如图2中的热电偶(1)，假设液体内部温度均匀，热电偶(1)的铜与公共负极铜形成温差电势回路，这两者并不直接接触，而是通过与液态金属的接触形成电势回路，其温差电势回路可以表示为：
U1Cu,Cu＝S1Cu,GaInSn(Tm)+SGaInSn(Tm,Tm)+SGaInSn,Cu(Tm)+SCu(Tc-Tm)+SCu,1Cu(Tc)+S1Cu(Tm-Tc)
(1)
式中，S1Cu,GaInSn为Cu与GaInSn的接触时的塞贝克系数，SCu为Cu的塞贝克系数，Tm为测量温度，Tc为参考端温度，则由中间金属定律可知：
S1Cu,GaInSn(Tm)+SGaInSn(Tm,Tm)+SGaInSn,Cu(Tm)＝S1Cu,Cu(Tm)＝0，则式(1)可转化为：
U1Cu,Cu＝SCu(Tc-Tm)+SCu,1Cu(Tc)+S1Cu(Tm-Tc)＝0 (2)
热电偶(1)的康铜与公共负极形成的温差电势回路可以描述为：
U1Cu-Ni,Cu＝S1Cu-Ni,GaInSn(Tm)+SGaInSn(Tm,Tm)+SGaInSn,Cu(Tm)+SCu(Tc-Tm)+SCu,1Cu-Ni(Tc)+S1Cu-Ni(Tm-Tc)
(3)
根据中间金属定律，式(3)可转化为：
U1Cu-Ni,Cu＝S1Cu-Ni,Cu(Tm)+SCu(Tc-Tm)+SCu,1Cu-Ni(Tc)+S1Cu-Ni(Tm-Tc)
(4)
热电偶(1)的温差电势可以直接表示为铜-康铜两种金属材料之间的温差电势：
U1Cu,1Cu-Ni＝S1Cu,1Cu-Ni(Tm)+S1Cu-Ni(Tc-Tm)+S1Cu-Ni,1Cu(Tc)+S1Cu(Tm-Tc)
(5)
式(2)-式(4)为使用公共负极可以得到热电偶(1)铜材料与康铜材料之间的电势差：
U1Cu,Cu-U1Cu-Ni,Cu＝-S1Cu-Ni,Cu(Tm)-SCu(Tc-Tm)-SCu,1Cu-Ni(Tc)-S1Cu-Ni(Tm-Tc)＝S1Cu,1Cu-Ni(Tm)+S1Cu-Ni(Tc-Tm)+S1Cu-Ni,1Cu(Tc)+S1Cu(Tm-Tc)
(6)
可以得到式(6)＝式(5)，以独立铜材料为公共负极对任意热电偶的温差电势回路无影响，同样，以独立康铜材料为公共负极理论上可行。本发明选择以独立铜材料为公共负极而不选择使用独立康铜材料为公共负极，原因是康铜材料的电阻系数相较铜材料电阻系数高一个数量级。测量结果表明，所得到的康铜材料与某一热电偶中康铜材料的电势差为铜材料与某一热电偶中铜材料的电势差的4-5倍，使用任意一个热电偶中的铜材料或康铜材料为公共负极相较以独立铜材料或康铜材料为公共负极所得到的热电偶温差电系数偏差更大，尤其是作为公共负极的该热电偶。
步骤3：对方形密闭腔体侧面施加垂直方向的磁场，以使液态金属在流动时使位于同一平面的热电偶产生电势差；通过电势差测量出液态金属内部结构的速度。
每一个探针组可以测得该位置下的速度分量，在垂直于磁场方向得侧壁面上，探针组如A-A,热电偶(1)和热电偶(4)的铜材料之间的电势差是由液态金属的水平流动引起的，热电偶(2)和热电偶(3)的铜材料之间的电势差是由液态金属的竖直流动引起的，平行于磁场方向得侧壁面上，探针组如C-C,热电偶(1＇)和热电偶(4＇)的铜材料之间的电势差是由液态金属的水平流动引起的。
由欧姆定律可知，其速度的大小与电势差的大小成比例关系。
由以上描述可知，本发明适用于强磁场条件下不透明液态金属内局部多点速度和温度的同步测量，相比现有测量手段，可以直接获得液态金属内部多点的局部温度和速度，更加清晰的反映出密封腔体内液态金属的流动结构，并对比了以独立铜材料、康铜材料和任意一个焊接热电偶的铜材料、康铜材料作为公共负极的测量结果，确定以铜作为公共负极材料测量效果最优，其他所有接线都作为正极通道，节约数据采集通道资源的同时，也可以通过通道间的组合方式分开计算速度和温度。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
在包含有液态金属的方形密闭腔体的侧壁外设置多个探针组；
将每个所述探针组的热电偶插入方形密闭腔体并浸入液态金属中；
在方形密闭腔体的侧壁外设置公共负极，将公共负极一端浸入液态金属中，热电偶与公共负极通过液态金属形成温差电势回路；
通过温差电势差测量液态金属内部结构局部温度；
对方形密闭腔体侧面施加垂直方向的磁场，以使液态金属在流动时使位于同一平面的热电偶产生速度电势差；
通过速度电势差测量液态金属内部结构的速度。
2.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，多个所述探针组沿高度方向间隔设置于方形密闭腔体的侧壁外，位于同一高度的多个探针组沿周向均匀分布于方形密闭腔体的侧壁外。
3.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，每个所述探针组包括四个热电偶，两个所述热电偶位于竖直平面上，其余两个热电偶位于水平平面上，且位于同一平面上的两个所述热电偶的距离为2mm。
4.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，所述热电偶通过密封胶垂直固定在方形密闭腔体侧面。
5.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，每个所述热电偶的直径为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，所述热电偶的材料为铜-康铜。
7.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，所述液态金属的材料为镓铟锡，施加的磁场强度为[0.1-1.5T]，所述热电偶浸入液态金属的深度大于液态金属在施加的磁场强度下在方形密闭腔体侧面形成的哈特曼层，所述哈特曼层的厚度为[0.022,0.33mm]。
8.根据权利要求7所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，所述哈特曼层的计算公式为：
式中，v为液态金属的运动粘度，ρ为密度，σ为电导率，B为磁场强度。
9.根据权利要求1所述的液态金属内部结构参数的测量方法，其特征在于，所述公共负极为一根独立的铜线，其安装在方形密封腔体的外侧，其一端插入方形密封腔体中与液态金属接触，作为所有热电偶的相对负极。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |