В Институте механики сплошных сред УрО РАН (Пермь) разработали уникальную экспериментальную установку. В ней с помощью катушек с током создается внешнее магнитное поле, которое закручивает жидкий металл внутри цилиндрического сосуда. Результаты экспериментов обнародованы в Journal of Fluid Mechaanics.
Структура сосуда — две части разного диаметра — имитирует, например, ковш для непрерывного литья. Такая геометрия и магнитное поле позволяют формировать в жидкости потоки с противоположным направлением вращения, приводя к появлению сложных «вихревых» конфигураций.
Вихри, джеты, торнадо
В ходе экспериментов ученые зафиксировали широкий набор режимов течения: от относительно простых при малых скоростях, до мощных закрученных потоков, включая крупномасштабные вихри — аналог торнадо — с нисходящим центральным потоком, а также вертикальные джеты — струйные течения без необходимости внешней прокачки.
Это далеко не просто демонстрация — такие структуры могут возникать при литье, переработке ртути и жидких сплавов, электролизе, а также в природных условиях, например в металлическом ядре планет и звезд. Понимание магнитной гидродинамики жидких металлов важно для металлургии, энергетики, геофизики и астрофизики.
Закрученные потоки жидкости и газа нашли широкое применение в современной технике благодаря своим аэродинамическим, термодинамическим и гидромеханическим качествам, которые позволяют многократно интенсифицировать процессы энерго-, массо- и теплообмена. Удивительно, насколько богатый набор сценариев позволяет наблюдать наша установка: начиная от достаточно простых течений при небольших скоростях и заканчивая сложными течениями типа вертикальных джетов и торнадо. Изучение каждого из этих течений и понимание механизмов управления ими позволят оптимизировать процессы производства, подавляя нежелательные или создавая полезные эффекты.
Вихри и струи из жидкого металла — для природы не предел. На экзопланете WASP-76b, где температура превышает 3000 градусов, в порядке вещей железные ветры и железные дожди.
