Instabilitäten in gemischter Konvektion unter dem Einfluss moderater und starker Magnetfelder

• Antragsteller: Dr. Dmitry Krasnov
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388404029

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnetohydrodynamische (MHD) Strömungen von Flüssigmetallen, die einem starken Einfluss von Magneto­ und Thermogravitationseffekten unterliegen, spielen eine Schlüsselrolle in Blankets, die für Tokamak-Fusionsreaktoren konzipiert sind. Die bestehenden Blanketkühlsysteme werden durch zwei Haupttypen repräsentiert: Festkörper- und Flüssigmetallblankets. In diesem Projekt haben wir uns auf Flüssigmetallblankets konzentriert, die typischerweise als bevorzugte Option angesehen werden, da sie eine höhere thermische und Brüt-Effizienz bieten. Die Verwendung von Flüssigmetallen ist jedoch nicht frei von Problemen. Es gibt zwei sehr wichtige Aspekte, die für die Betriebsbedingungen relevant sind: die extrem starken Magnetfelder und der sehr starke Wärmefluss, der durch die Strahlung aus dem Plasma und durch die Neutronenabsorption verursacht wird. Diese Bedingungen sind anfällig für die Entwicklung von großskaligen Instabilitäten und unregelmäßigen thermischen Schwankungen. Daher war das bessere Verständnis des Verhaltens von Flüssigmetallströmungen bei extremen Parametern eine wichtige und nichttriviale Aufgabe. Diese Aufgabe konnte mit Laborversuchen und numerischen Simulationen für vereinfachte Konfigurationen, z.B. Kanal- oder Rohrgeometrien, vorangetrieben werden. In diesem Projekt haben wir uns mit den physikalischen Phänomenen befasst, die für die thermogravitative Konvektion und die MHD-Strömungen in rechteckigen Kanälen relevant sind. Wir haben eine Kombination aus (i) vollständig 3D-numerischen Modellen verwendet, die für die Analyse von idealisierten Konfigurationen angewendet wurden, und (ii) hochgenauen Experimenten, die realistischere Einstellungen darstellen. Wir haben die Bedingungen (Parameterbereiche) bestimmt, die zu den instationären Strukturen führen, die Auswirkungen der intrinsischen Symmetrie des Systems untersucht und die Implikationen für den Wärmeübergang und die Temperaturverteilung analysiert. Außerdem haben wir die Möglichkeit in Betracht gezogen, Steuerungstools, wie z.B. Wirbelgeneratoren, einzuführen, um die negativen Effekte der thermischen Schwankungen zu minimieren und den Wärme- und Masstransport zu verbessern. Als zusammenfassender Gedanke legen unsere Ergebnisse nahe, dass die großskaligen Schwankungen in der Magnete-Konvektion nicht vollständig vermieden werden können. Stattdessen können sie mit Hilfe von Steuerungstools in vorhersagbarer und kontrollierter Weise induziert und aufrechterhalten werden, was letztlich den integralen Wärmeübergang um viele Faktoren steigerte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Heating nonuniformity influence on the liquid metal flow characteristics in the presence of a magnetic field during mixed convection in a duct”. In: VANT 5 (2018). (in Russian), pp. 86–95.
  I. Belyaev, N. Razuvanov, D. Krasnov & V. Sviridov
  
• Decay of turbulence in a liquid metal duct flow with transverse magnetic field. Journal of Fluid Mechanics, 867, 661-690.
  Zikanov, Oleg; Krasnov, Dmitry; Boeck, Thomas & Sukoriansky, Semion
  
• “Flow swirling in strong transverse magnetic field”. In: 2nd International Conference ”Problems of Thermonuclear Energy and Plasma Technology”. Moscow, Russia, 2019.
  D. Krasnov, I. Belyaev, D. Biryukov, Y. Listratov, Y. Kolesnikov, O. Zikanov & V. Sviridov
  
• “Instabilities in mixed convection at moderate and strong magnetic fields”. In: Proceedings of the 11th PAMIR International Conference Fundamental and Applied MHD. Reims, France, 2019, pp. 82–86.
  I. Belyaev, D. Krasnov, D. Biryukov, Y. Listratov, Y. Kolesnikov, O. Zikanov & V. Sviridov
  
• “Turbulent Rayleigh-Benard convection in strong vertical magnetic field”. In: 2nd International Conference ”Problems of Thermonuclear Energy and Plasma Technology”. Moscow, Russia, 2019.
  Akhmedagaev, R.; Zikanov, O.; Krasnov, D. & Schumacher, J.
  
• “Turbulent Rayleigh-Benard convection in strong vertical magnetic field”. In: Proceedings of the 11th PAMIR International Conference Fundamental and Applied MHD. Reims, France, 2019, pp. 157–161.
  Akhmedagaev, R.; Zikanov, O.; Krasnov, D. & Schumacher, J.
  
• Effects of symmetry on magnetohydrodynamic mixed convection flow in a vertical duct. Physics of Fluids, 32(9).
  Belyaev, Ivan; Krasnov, Dmitry; Kolesnikov, Yuri; Biryukov, Dmitry; Chernysh, Denis; Zikanov, Oleg & Listratov, Yaroslav
  
• Liquid metal swirling flow affected by transverse magnetic field. Magnetohydrodynamics, 56(2-3), 121-130.
  D. Krasnov; Y. Kolesnikov; I. Belyaev; Y. Listratov & O. Zikanov
  
• Rayleigh--Bénard convection in strong vertical magnetic field: flow structure and verification of numerical method. Magnetohydrodynamics, 56(2-3), 157-166.
  R. Akhmedagaev; O. Zikanov; D. Krasnov & J. Schumacher
  
• Turbulent Rayleigh–Bénard convection in a strong vertical magnetic field. Journal of Fluid Mechanics, 895.
  Akhmedagaev, R.; Zikanov, O.; Krasnov, D. & Schumacher, J.
  
• Transformation of a submerged flat jet under strong transverse magnetic field. EPL (Europhysics Letters), 134(2), 24003.
  Krasnov, D.; Listratov, Ya.; Kolesnikov, Yu.; Belyaev, I.; Pyatnitskaya, N.; Sviridov, E. & Zikanov, O.
  
• Convective mesoscale turbulence at very low Prandtl numbers. Journal of Fluid Mechanics, 948.
  Pandey, Ambrish; Krasnov, Dmitry; Sreenivasan, Katepalli R. & Schumacher, Jörg
  
• Similarities between characteristics of convective turbulence in confined and extended domains. Physica D: Nonlinear Phenomena, 442, 133537.
  Pandey, Ambrish; Krasnov, Dmitry; Schumacher, Jörg; Samtaney, Ravi & Sreenivasan, Katepalli R.
  
• “Experimental study of submerged liquid metal jet in a rectangular duct in a transverse magnetic field”. In: J. Fluid Mech. 953 (2022), A10.
  I. Belyaev, I. Mironov, N. Luchinkin, Y. Listratov, Y. Kolesnikov, D. Krasnov, O. Zikanov & S. Molokov
  
• MHD flow of submerged jets behind the inlet disturbance. PAMM, 22(1).
  Krasnov, Dmitry; Listratov, Yaroslav; Belyaev, Ivan; Kolesnikov, Yuri; Sviridov, Evgeny & Zikanov, Oleg
  
• “Inlet flow formation for passive control of magneto-hydrodynamic liquid metal flow in a duct”. In: J. High Temperature (2023). Accepted for publication
  I. Belyaev, D. Chernysh, N. Luchinkin, D. Krasnov, Y. Kolesnikov & Y. Listratov
  
• “Tensor-product-Thomas elliptic solver for liquid-metal magnetohydrodynamics”. In: J. Comput. Phys. 474 (2023), p. 111784
  D. Krasnov, A. Akhtari, J. Schumacher & O. Zikanov