Ученые ЮУрГУ разработали новый метод расчета охлаждения для реакторов и суперкомпьютеров
Ученые Южно-Уральского государственного университета разработали инновационный метод расчета систем магнитного жидкостного охлаждения.
Программа моделирует поведение охлаждающего потока и определяет безопасные режимы работы теплообменников.
Физика процесса
Традиционные системы охлаждения не всегда справляются с высокими тепловыми нагрузками. Альтернативой служат системы, основанные на магнитной гидродинамике. В них поток жидкости движется под воздействием магнитного поля. Это позволяет точнее контролировать тепловые процессы.
Магнитное поле тормозит движение жидкости. Это явление описывает число Гартмана. Одновременно вязкость и электрическое сопротивление вызывают нагрев жидкости. Этот процесс определяет число Бринкмана. Исследователи проанализировали взаимодействие двух этих параметров и выяснили, что сильное магнитное поле может не только разогревать поток, но и охлаждать его. Это происходит, когда жидкость почти останавливается и перестает выделять тепло из-за трения. Теперь учёные точно определили диапазоны параметров, при которых достигается охлаждающий эффект.
Программа на Python
Для этих расчетов исследователи создали компьютерную программу на языке Python. Алгоритм моделирует движение жидкости в каналах различной формы. Далее программа вычисляет параметры потока и прогнозирует его температуру в заданных условиях.
Разработчики определили безопасные диапазоны значений для обоих ключевых параметров: для прямоугольного канала число Гартмана должно находиться в пределах от 8 до 12, а число Бринкмана – от 0,05 до 0,3. Для круглой же трубы безопасные значения составляют 10–15 и 0,1–0,4 соответственно. Превышение этих значений приводит к возникновению рисков: при числе Бринкмана выше 0,5 начинается лавинообразный рост тепловыделения, а если показатель превышает 2 – возможен перегрев и разрушение стенок канала. Алгоритм определяет эти значения и сам корректирует параметры системы.
Сравнение каналов
Моделирование провели для двух типов каналов: круглой трубы и прямоугольного профиля, так как форма канала влияет на поведение жидкости в магнитном поле. В прямоугольном канале магнитное торможение проявляется сильнее. Это связано с формированием гартмановских слоев у стенок. Они складываются и создают дополнительное сопротивление потоку. В результате жидкость сильнее нагревается от внутреннего трения.
Круглая труба обеспечивает более равномерное распределение магнитного поля, а торможение потока происходит мягче. Расчеты показали, что при одинаковых внешних условиях круглая труба отводит тепло на 20-30 процентов эффективнее прямоугольного канала. Инженеры могут выбрать оптимальную геометрию теплообменников ещё на этапе проектирования.
Новый цифровой инструмент
Благодаря разработанному алгоритму инженеры получают возможность моделировать потенциально опасные режимы работы без проведения испытаний на реальных установках. Это способствует снижению стоимости проектирования и ускорению ввода систем в эксплуатацию.
Метод магнитного жидкостного охлаждения востребован в ряде отраслей. В ядерной энергетике такие системы применяют для отвода тепла от активных зон и теплообменников. Жидкие металлы и солевые расплавы хорошо проводят ток и поддаются управлению магнитным полем.
Также этот метод подходит для охлаждения суперкомпьютеров. Рост производительности высокопроизводительных процессоров приводит к кратному увеличению тепловыделения, а жидкостное охлаждение с магнитным управлением позволяет отводить тепло от самых «горячих» компонентов. Также алгоритм применим в металлургических установках и современных энергетических системах.
