三层液态金属电池模型中的热瑞利 - 马兰戈尼对流
流体动力学
2017-05-31 v2
摘要
在作为液态金属电池（LMB）简化模型的三层构型中，研究了浮力驱动的瑞利 - 贝纳德对流（RC）和表面张力驱动的马兰戈尼对流（MC）的联合作用。该三层模型由液态金属合金阴极、熔融盐隔离层和顶部的液态金属阳极组成。对流由热电解质与较冷电极之间的温度梯度触发，这是运行期间电阻热释放的结果。我们基于伪谱法，对纯热传导状态进行了线性稳定性分析，并结合非线性湍流演化的三维直接数值模拟。在该构型中识别出五种不同的对流模式，它们部分相互耦合：上电极中的 RC、熔融盐层中具有内部加热的 RC、熔融盐与电极之间两个界面上的 MC，以及中间层和下电极中的反对流。线性稳定性分析证实，当前设置中额外的马兰戈尼效应增加了线性不稳定模式的增长率，即马兰戈尼不稳定性与瑞利 - 贝纳德不稳定性在熔融盐层中共同作用。临界格拉晓夫数和马兰戈尼数随中间层厚度的增加而减小。计算得出的对流起始阈值适用于实验室规模 LMB 的实际电流密度。全局湍流热传递遵循内部加热 RC 的标度预测。全局湍流动量传递与经典瑞利 - 贝纳德情况下的湍流对流相当。
引用
@article{arxiv.1704.05825,
title = {Thermal Rayleigh-Marangoni convection in a three-layer liquid-metal-battery model},
author = {Thomas Köllner and Thomas Boeck and Jörg Schumacher},
journal= {arXiv preprint arXiv:1704.05825},
year = {2017}
}