磁场影响下的塞贝克效应驱动液态金属对流的实验研究

doi:10.7523/j.ucas.2024.032

摘要/Abstract

摘要：

进行水平磁场下由塞贝克效应驱动的热电对流实验研究。采用镓铟锡和康铜作为实验工质，使用超声多普勒测速系统精确测量封闭腔体中的对流速度，得到3种热电对流模式。在弱磁场下，对流模式以热电效应主导，并且可以近似为一个二维流动；随着磁场的增大，对流模式开始向三维转变，出现不同程度的速度波动；在强磁场下，由于磁阻尼效应的影响，又会转化为一个近似的二维流动。热电效应和磁场相互作用产生的洛伦兹力在弱磁场下能够增强传热，但是在强磁场下磁阻尼效应又会反过来抑制传热。

关键词: 液态金属, 塞贝克效应, 磁流体动力学效应, 热电对流

Abstract:

In a fusion reactor environment characterized by significant temperature variations and intense magnetic fields， the Seebeck effect interacts with the magnetic field， propelling the flow of liquid metal to remove impurities and heat generated during the fusion reaction. This paper conducts experiments on thermoelectric convection driven by the Seebeck effect in a horizontal magnetic field. GaInSn and constantan serve as the experimental working substances. An ultrasonic Doppler velocimetry system meticulously measures the convection velocity in a closed cavity. Three thermoelectric convection modes are identified. At lower magnetic fields， thermoelectric effects dominate the convective mode， allowing for an approximation as a two-dimensional flow. With increasing magnetic field strength， the convective mode transitions to a three-dimensional pattern exhibiting variable velocity fluctuations. Subsequently， it converts to an approximate two-dimensional flow， influenced by the magnetic damping effect under strong magnetic fields. The Lorentz force， resulting from the interaction between the thermoelectric effect and the magnetic field， can enhance heat transfer. However， under stronger magnetic fields， it has an inhibiting effect on heat transfer.

Key words: liquid metal, Seebeck effect, magnetohydrodynamic effects, thermoelectric convection

中图分类号:

TK124

张登科, 王增辉. 磁场影响下的塞贝克效应驱动液态金属对流的实验研究[J]. 中国科学院大学学报, 2026, 43(2): 164-172.

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图/表 10

表1 无量纲参数及其范围

Table 1 Nondimensional parameters and their ranges

参数名称	符号	定义	研究范围
磁雷诺数	$R e m$	$R e m = u 0 l η$	$R e m ≪ 1$
哈特曼数	$H a$	$H a = B l σ μ$	$0 < H a < 103$
雷诺数	$R e$	$R e = ρ u 0 l μ$	$0 < R e < 3 × 103$
塞贝克数	$T e$	$T e = ρ σ S B Δ T l 2 μ 2$	$0 < T e < 2 × 109$
格拉肖夫数	$G r$	$G r = β g Δ T l 3 v 2$	$0 < G r < 2 × 106$
特征速度	$U 0$	$U 0 = σ B Δ S Δ T ρ$	—

表1 无量纲参数及其范围

Table 1 Nondimensional parameters and their ranges

参数名称	符号	定义	研究范围
磁雷诺数	$R e m$	$R e m = u 0 l η$	$R e m ≪ 1$
哈特曼数	$H a$	$H a = B l σ μ$	$0 < H a < 103$
雷诺数	$R e$	$R e = ρ u 0 l μ$	$0 < R e < 3 × 103$
塞贝克数	$T e$	$T e = ρ σ S B Δ T l 2 μ 2$	$0 < T e < 2 × 109$
格拉肖夫数	$G r$	$G r = β g Δ T l 3 v 2$	$0 < G r < 2 × 106$
特征速度	$U 0$	$U 0 = σ B Δ S Δ T ρ$	—

图1 TEMC实验系统和超声多普勒测速系统

Fig.1 TEMC experimental system and ultrasonic Doppler velocimetry system platform

表2 镓铟锡和康铜的物理性质

Table 2 Physical properties of GaInSn and constantan

参数	工质 Ga68%In20%Sn12% (290 K)	康铜 (290 K) 型号 (6J40) Mn1%Ni39%Cu60%
熔点/℃	10.5	1 280
密度/(kg·m^-3)	6 360	8 900
动力黏度/(Pa·s)	2.4×10^-3	—
热导率/(W/(m·K))	16.5	—
电导率/(S·m^-1)	3.3×10⁶	2×10⁶
比热/(J/(kg·K))	365.8	—
塞贝克系数/(μV/K)	-0.55	-35
热膨胀系数	0.000 124	—

图2 无磁场环境下（Ha=0，ΔT=1 415 K/m）方腔流速的时空分布

Fig.2 Spatiotemporal distribution of the flow velocity at the square cavity in a magnetic field-free environment （Ha=0，ΔT=1 415 K/m）

图3 磁场环境下（Ha=19，ΔT=1 415 K/m）方腔流速的时空分布

Fig.3 Spatiotemporal distribution of the flow velocity at the square cavity in a magnetic field environment （Ha=19， ΔT=1 415 K/m）

图4 磁场环境下（Ha=68，ΔT=1 415 K/m）方腔流速的时空分布

Fig.4 Spatiotemporal distribution of the flow velocity at the square cavity in a magnetic field environment （Ha=68，ΔT=1 415 K/m）

图5 磁场环境下（Ha=960，ΔT=1 415 K/m）方腔流速的时空分布

Fig.5 Spatiotemporal distribution of the flow velocity at the square cavity in a magnetic field environment （Ha=960，ΔT=1 415 K/m）

图6 不同磁场强度下方形腔内TEMC的Re和Ha2/Te 分布特征

Fig.6 Distribution characteristics of Re and Ha2/Te of TEMC in a square cavity under different magnetic field strengths

图7 方腔中TEMC的Ha2/Te分布的表征

Fig.7 Characterization of the distribution of Nu with Ha2/Te for TEMC in a closed cavity

图8 Re与Ha、Te的拟合曲线与相关热电磁流体实验文献的比较

Fig.8 Comparison of the fitted curves of Re versus Ha and Te with the literature on related thermoelectric magnetohydrodynamic experiments

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