Two-dimensional and dynamic method of visualization of the flow characteristics in a convection boundary layer using infrared thermography

The paper presents a two-dimensional and dynamic (2DD) method of using infrared thermography (IRT) for visualization of the cooling efficiency of a heated wall, as this method was applied in an experimental investigation. The 2DD method allows the outer surface temperature measured by an IRT device to be worked out relative to the bulk coolant-fluid temperature. This way the 2DD method makes visible the qualitative and quantitative flow characteristics within the thin contact layer at the inner surface of the wall. These flow characteristics, and more specifically, the pattern of the flow (similar to streamlines useful for the detection of dead zones) and the distribution of the temperature differences between the temperature on the wall outer surface and the bulk temperature of the coolant, determine the cooling efficiency. Finally, animated IR thermogram sequences could be generated, allowing observation of the spatial and temporal behavior of the flow/cooling behind the wall, for an example see animations in internet page (Patorski, 2000). The study of the cooling of the proton beam entry window described in this paper is a part of the development program of neutron spallation sources with liquid metal targets. The basic idea of the experiments was to use the real interacting materials (mercury as the liquid metal and steel as the window wall) and observe the cooling effects of the mercury flow on the heated wall of the hemispherical shell of the mockup window. Different geometrical configurations of the inner flow guide tubes of the flow and different pumping velocities were examined in view of finding the optimal cooling solution.

Dwuwymiarowa dynamiczna metoda wizualizacji charakterystycznych właściwości przepływu w konwekcyjnej warstwie granicznej przy użyciu termowizji. Artykuł przedstawia, na przykładzie zastosowania w badaniach doświadczalnych, dwuwymiarową dynamiczną (2DD) metodę użycia termowizji (IRT) wizualizującą efektywność chłodzenia przepływem cieczy silnie ogrzewanej ścianki zbiornika. Wykorzystanie zsynchronizowanych pomiarów: temperatury zewnętrznej powierzchni ścianki zbiornika (za pomocą IRT) oraz temperatury masy płynącej cieczy (za pomocą termoelementów (TC)), pozwoliło na wizualizację jakościowych i ilościowych zjawisk przepływu cieczy charakteryzujących efektywność chłodzenia ścianki. Do zjawisk jakościowych zaliczono tu wizualizację obrazów przepływu; w przybliżeniu obrazów lini przepływu w pobliżu ścianki, ponieważ pola temperatur w dominującym stopniu zależą od rozkładu prędkości przepływu. Obrazy takie dają możliwość wykrycia zawirowań czy tzw. "marwych" stref przepływu występujących po niewidocznej stronie nieprzeźroczystej ścianki. Do zjawisk ilościowych zaliczono wizualizację pola rozkładu wartości różnicy temperatur pomiędzy ścianką a masą płynącej cieczy; mniejsze wartości tej różnicy wskazują lepszą lokalną efektywność chłodzenia. Wartość tej różnicy temperatur może być bezpośrednio skorelowana z konwekcyjnym współczynnikiem przekazywania ciepła. Pokazanie animacji w postaci sekwencji tak specyficznie zdefiniowanych pól temperatur pozwala na geometryczno-czasową (dynamiczną) ocenę efektywności chłodzenia ścianki zbiornika dla różnych konfiguracji wewnętrznego przepływu cieczy. Dla przykładu, na stronie internetu (Patorski,2000) pokazano dwie animacje dotyczące eksperymentów omawianych w artykule. Przedstawione badania doświadczalne służą wyborowi optymalnej konfiguracji przepływu rtęci dla chłodzenia ścianki stalowego zbiornika źródła neutronów, tzw. "okna" wejścia wiązki protonów, podczas wytwarzania neutronów z jąder atomów ciężkich metali w procesie spallacji. W omawianym przypadku rtęć będzie jednocześnie wykorzystywana do wytwarzania neutronów, jak i do chłodzenia stalowej ścianki naczynia źródła neutronów. Z punktu widzenia analizy naprężeń termo-mechanicznych w ściance "okna" zbiornika źródła neutronów było koniecznym doświadczalne zbadanie charakterystyki konwekcyjnego przekazywania ciepła z użyciem przewidywanych do zastosowania materiałów (stal i rtęć), z zastosowaniem realnych kształtów i wymiarów zbiornika źródła neutronów (cylinder zakończony półkulą) oraz wewnętrznych geometrycznych i hydraulicznych warunków przepływu rtęci.