Может ли достаточно сильный магнит влиять на движение жидкости? Да, есть два известных параметра.
За скорость потока отмечает число Гартмана – «сила магнитного торможения». Чем оно больше, тем сильнее магнитное поле «давит» на поток, прижимая его к стенкам.
Число Бринкмана отвечает за «саморазогрев» жидкости. Оно показывает, сколько тепла выделяется внутри потока из-за внутреннего трения (вязкости) и электрического сопротивления, таким образом меняется температура потока.
Парадокс в том, что магнитное поле может не только нагревать жидкость, но и охлаждать. Чем число Бринкмана выше, тем больше нагревается поток. Однако сильное магнитное поле может и охлаждать жидкость, когда она почти останавливается и перестаёт греться из-за трения.
Так нагревается или остывает? Для того чтобы понять это, нужно решить непростую систему уравнений.
Учёные Политехнического института ЮУрГУ Евгений Соломин , Константин Осинцев и Никита Пшениснов вместе с коллегами из Москвы и Багдада создали программу на языке Python, которая позволяет оценивать соотношения этих двух важных параметров и всесторонне исследовали ситуацию для двух моделей – жидкости, бегущей по круглой трубе или по прямоугольному каналу.
Оказалось, что в прямоугольном канале магнитное торможение проявляется сильнее, потому что «тормозные слои» (гартмановские) возникают у обеих стенок, и они как бы складываются. В круглой трубе профиль скорости сглаживается мягче. Зато по теплоотдаче круглая труба выигрывает — при одинаковых условиях она отводит тепла на 20–30 % больше. Поэтому для мощных теплообменников лучше выбрать круглые трубы.
Если настраивать магнит и учитывать внутренний нагрев, можно найти «золотую середину» – диапазон, где эффективность теплоотдачи максимальна, а риск перегрева минимален.
Для прямоугольного канала в этом случае число Гартмана должно находиться в диапазоне 8-12, а число Бринкмана – 0.05…0.3, для круглой трубы это диапазоны 10-15 и 0,1…0,4 соответственно.
Когда число Бринкмана становится больше 0,5, система входит в опасную зону – внутреннее тепловыделение растёт лавинообразно, и даже сильный магнит уже не спасает; а если оно превышает 2, возможно разрушение стенок из-за перегрева.
Результаты исследования учёных могут пригодиться инженерам в самых разных областях: при оптимизации охлаждающих каналов для охлаждения суперкомпьютеров и иной мощной электроники, в термоядерных реакторах, при металлургической обработке и в передовых устройствах преобразования энергии.
Больше новостей на канале ЮУрГУ в МАКС
Остап Давыдов
