MHD flow and heat transfer in a rectangular duct

MHD Strömung und Wärmeübergang in einem Rechteckkanal Lediglich eine profunde Kenntnis des Wärmeübertragungsverhaltens laminarer und turbulenter magnetohydrodynamischer (MHD) Strömungen erlaubt eine adäquate Auslegung von Wärmeübertragern, zum Beispiel von Flüssigmetallblankets, oder eine Steuerung industrieller Verfahren durch den Einsatz von MHD Effekten. In diesem Bericht wird die experimentelle und numerische Untersuchung einer MHD-Strömung in einem Rechteckkanal mit elektrisch leitenden Wänden vorgestellt. Ein äußeres konstantes Magnetfeld B steht senkrecht auf der Kanalachse und ist ebenfalls senkrecht zum Wärmestrom , der von einem Strahlungsheizer erzeugt wird. Im Kanal werden sowohl integrale Größen wie der Druckverlust und die Nusselt-Zahl aber auch lokale Größen, zum Beispiel die Temperatur an der Fluid-Wand-Grenzfläche, die Geschwindigkeit und die lokale Temperatur ermittelt. Der untersuchte Parameterbereich umfaßt: Hartmann-Zahlen 0£ M£ 5000, Reynolds-Zahlen 0£ Re£ 1.3.105 und Peclet-Zahlen 0£ Pe£ 2900 . Der gemessene Druckverlust stimmt mit der analytischen Lösung für eine zweidimensionale MHD-Strömung in nahezu dem gesamten untersuchten Parameterbereich überein. Lediglich für Hartmann-Zahlen M£ 350 und Re³ 7.104 wird ein höherer Druckverlust ermittelt. Beim Überschreiten einer kritischen Reynoldszahl Recrit von Recrit=100.M entspricht der MHD-Druckverlust dem einer turbulenten hydrodynamischen Rohrströmung. Die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung im Kanal, die mit einer kombinierten Temperatur- und Geschwindigkeitsmeßsonde (TEMPO) ermittelt wurde, stimmt mit den berechneten Werten für eine laminare MHD-Strömung überein. Die Nusselt-Zahl an der Wand ist bei MHD-Strömungen aufgrund der wandnahen Geschwindigkeitsüberhöhungen (den sogenannten Seitenwandjets), die sich an Wänden parallel zum Magnetfeld ausbilden und direkt dem Wärmestrom ausgesetzt ist, um ca. 30% größer als in einer hydrodynamischen Strömung. Bei großen M und sehr großen Re entspricht der Wärmeübergang der turbulenten MHD Strömung dem Wärmeübergang wie er auch in einer laminaren Strömung ermittelt wird. Der Grund dafür ist, daß die thermische Grenzschicht sich noch im Bereich der viskosen laminaren Grenzschicht befindet und somit leistet lediglich die molekulare Wärmeleitung einen Beitrag zur Wärmeübertragung. Bei bestimmten Parameterkonstellationen oder bei hinreichend langen Kanälen wächst die Grenzschicht in den Bereich der turbulenten Seitenwandschichten hinein. Durch den turbulenten Quertransport des Fluids wird der Wärmeübergang gesteigert. Die Wärmeübertragungsverbesserung kann um den Faktor 2 höher sein als bei einer laminaren MHD-Strömung