[实用新型]强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量装置

说明书

强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量装置，包括壁面探测器，通道主流区域内设置有浸入式探针，浸入式探针固定在位移装置上，壁面探测器与浸入式探针的信号端连接至多通道高精度同步电压采集系统；基于该系统实现液态金属速度场的精确测量；以管道流为例，给出了测试步骤和数据处理方法；运用多种形式的探针结构测量多点局部速度分量，亦可测量近壁面速度、主流速度、主流涡度等速度场信息；本实用新型克服了液态金属速度场不易测量的难点，具有实用性强，测量效果好的特点。

技术领域

本实用新型属于流体测量技术领域，特别涉及一种强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量装置。

背景技术

液态金属流动现象可以理解为电磁学与流体力学特性的结合，其蕴含丰富的基础研究意义，亦在钢铁冶金工业和磁约束聚变反应堆中有重要的工程应用场景。尤其聚变堆涉及到大量的液态金属流动换热的物理和工程问题。液态金属流动由于其跨尺度、多场耦合、不透光、高温特性，很多传统测量手段无法适用，研究极具挑战。从磁流体动力学的发展历史来看，液态金属流场测量技术对学科发展举足轻重。

依据文献调研，现有的液态金属局部流场测量方案总结如下：

1、电势探针法。它测量恒定磁场中流体产生的垂直于磁场方向的电势差。探针浸入液体并须保持与其良好的电接触。其优势是时间分辨率高，探针和间距可以设计的非常小以测量当地速度，也便于拓展为阵列以得到丰富的瞬态流场信息。

2、永磁铁探针法即将微小永磁铁与电势探针紧密贴合，一并浸入流体。原理与电势探针法类似，然而仅适用于无背景磁场下的流速测量。

3、电阻探针法，常用于液态金属两相流的测量。其原理是液相通过探针区域时测得的电阻显著下降，而气相通过时电阻急剧升高。这种方案必须谨慎调节探针与液体的电接触性能。

4、热线测速仪是与传统热线风速计一样的技术。基于加热状态下的电阻丝与流场的热交换，其温度与周边液体流速呈线性相关。

5、压力测量(皮托管)为传统浸入式测量方案，在液态金属中用于对主流速度的测量。

6、精密光学-机械方法基于流体对浸入的微小探头的机械作用力。对安装精度要求很高。

7、脉冲超声波测速法及其分支，在液态金属测量中应用广泛。探头向流体中发送单一方向的超声波脉冲，并接受被不同距离处的流体微团逐步反射的信号。通过发送、接收时间差计算出流体微团的空间位置，通过发送、接收的多普勒频移计算出流体微团的速度，因此其信号可以计算出超声波发射方向的一维流场信息。脉冲超声波方法中，探头可以装入壁面而不必浸入液体，对流场无影响。

8、高能射线成像主要用于液态金属两相流的研究。文献中已有γ射线,X射线和中子射线在液态金属流场测量中的应用。从图像可以分析出丰富的二维流场信息。然而其限制是射线在流体中衰减很快，其在沿射线方向的测量深度通常仅为厘米级。另一方面，提高其时间分辨率，或改进为三维测量装置仍面临大量技术挑战。

9、一些基于二次感应磁场的局部流场测量方法。如电磁成像法 (基于电阻、电导或电容测量的成像技术)，感应线圈法。此类方法基于流体在外部交变(或恒定)磁场下的感应磁场反馈。基于磁场信号反向推导流场信息。

10、洛伦兹力测速计也是一种基于感应磁场的方法。它测量流体产生的感应磁场对磁源(即永磁体)的反作用力。其空间分辨率限于永磁体的尺寸(小至毫米级)，时间分辨率限于传感器机械结构特性。

综上，方法2不适用于强背景磁场环境；方法3、8主要用于两相流；方法4不适用于热环境；方法5用于主流测量，难以测量局部速度；方法6时间分辨率不足；方法7仍然是超声波尺度上的空间平均方法；方法9、10的信号均依赖于电磁作用在局部空间的积分效果，空间分辨率欠缺。

发明内容