Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7245

Experimental investigations of MHD flows in a sudden expansion

L. Bühler and S. Horanyi

Abstract
Reliable theories and models concerning MHD flows in manifolds for fusion applications are important, since most of the pressure drop occurs in those parts of the blanket. Abrupt changes of flow direction in feeding and draining lines as well as expansions and contractions cause flow redistribution and additional pressure drop. Numerical and asymptotic models have been developed during the last years, which require validation on the basis of precise experimental data. Since experimental results available in literature cover only the range of moderate magnetic fields, i.e. Ha < 300, and experiments in electrically conducting sudden expansions do not exist, the experimental data base has to be considerably extended in order to cover the fusion relevant range of parameters. For that reason a forced convective MHD experiment in a sudden expansion of rectangular ducts has been designed, manufactured and inserted into the liquid metal NaK-loop of the MEKKA laboratory at the Forschungszentrum Karlsruhe in the frame of the EFDA Technology Work Program TW2-TTBA-006a D1.

Experiments have been performed in which the induced electric potential is measured on the surface of the expanding test section by more than 300 surface potential probes. The pressure variation along the duct has been measured at 16 different axial positions. For high interaction parameters the pressure measurements confirm the theoretical results obtained by an asymptotic theory valid for inertialess flows. Local quantities of the flow, e.g. potential gradients, are inferred with traversable probes at different locations in the ducts. A comparison of experimental and available theoretical results shows quite good agreement and confirms both the validity of the used theoretical tools and the good quality of the measurements. Moreover, due to its valuable contribution to the data base of fundamental MHD flows these experimental results may serve as benchmark basis for future developments of computational MHD tools.

Experimentelle Untersuchungen von MHD Strömungen in plötzlichen Kanalerweiterungen

Zusammenfassung
Zur Vorhersage von MHD Druckverlusten in Strömungsverteilern von Fusionsblankets sind zuverlässige theoretische Analysen und Modelle notwendig, da in diesen Komponenten der Hauptanteil des Gesamtdruckverlusts entsteht. Plötzliche Änderungen der Strömungsrichtung in Zu- und Abfuhrleitungen, sowie in Expansionen und Verengungen, verursachen Strömungsumverteilungen und zusätzlich Druckverluste. In den letzten Jahren wurden asymptotische und numerische Modelle entwickelt, die anhand von experimentellen Daten validiert werden müssen. Da die in der Literatur verfügbaren experimentellen Daten lediglich den Bereich der moderaten Magnetfelder mit Hartmann Zahlen Ha<300 abdecken, und Experimente in elektrisch leitenden, abrupten Expansionen nicht existieren, ist es notwendig, die experimentelle Datenbasis erheblich zu erweitern, um den fusionsrelevanten Parameterbereich abzudecken. Deshalb wurde im Rahmen des EFDA Technologie Programms TW2-TTBA-006a D1 ein Expansionsexperiment entworfen, gefertigt und in den Flüssigmetallkreislauf des MEKKA Labors im Forschungszentrum Karlsruhe eingebaut.

In den Experimenten wurde das induzierte elektrische Potential auf der Oberfläche der Expansionstestrecke an mehr als 300 Messpunkten gemessen. An 16 unterschiedlichen axialen Positionen wurde die Druckverteilung entlang des Kanals bestimmt. Druckmessungen bei großen Interaktionsparametern bestätigen die Vorhersagen einer trägheitsfreien asymptotischen Theorie. Lokale Strömungsgrößen wie z.B. Potentialgradienten wurden mit verfahrbaren Sonden an verschiedenen Positionen in Kanal vermessen. Ein Vergleich der experimentellen und der verfügbaren theoretischen Ergebnisse zeigt gute Übereinstimmung und bestätigt sowohl die Qualität der Theorie als auch der Experimente. Darüber hinaus liefern die hier gewonnenen Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zur experimentellen Datenbasis der MHD Grundlagenforschung und können als Benchmark zur Validierung zukünftiger Berechnungsverfahren herangezogen werden.

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