Estudio numérico del flujo forzado electromagnéticamente en una cavidad cilíndrica

Abstract

In this work, the magnetohydrodynamic (MHD) behavior of a conductive fluid confined inside a cylindrical cavity is numerically modeled in analogy to the electrode configurations for liquid metal batteries (BML). A direct electric current is circulated upward in the axial direction and in the presence of a non-uniform magnetic field such as that generated by a permanent magnet. The fluid is driven by the Lorentz force produced by the supplied electric current and the imposed magnetic field. In particular, two electrolytes are considered as working fluids: the first of sodium bicarbonate (NaHCO3) and the second of potassium chloride (KCl). The effect on the flow of two magnetic field distribution is also analyzed. For the numerical simulation the charge model for the permanent magnet magnetic field is used and the φ-formulation (electrical scalar potential formulation), using these models the MHD equations are solved using the free CFD software libraries OpenFOAMR®. In particular, the results for the velocity field in the axial central plane are compared with the experimental data previously obtained by the work team. The development of the algorithm and its validation by simulating the problem already described, will allow parametric studies for different conductive fluids and configurations.

En este trabajo se modela numéricamente el comportamiento magnetohidrodináamico (MHD) de un fluido conductor confinado al interior de una cavidad cilíndrica en analogía a las configuraciones de electrodos para baterías de metal líquido (BML). Se hace circular una corriente eléctrica directa de forma ascendente en la dirección axial y en presencia de un campo magnético no uniforme como el generado por un imán permanente. El fluido es agitado por la fuerza de Lorentz producida por la corriente eléctrica suministrada y el campo magnético impuesto. En particular, se consideran dos electrolitos como fluidos de trabajo: el primero de bicarbonato de sodio (NaHCO3) y un segundo de cloruro de potasio (KCl). El efecto en el flujo de dos distribuciones de campo magnético también se analiza. Para la simulación numérica se utiliza el modelo de carga para el campo magnético del imán permanente y la formulación- (formulación del potencial escalar eléctrico). Usando estos modelos las ecuaciones de las MHD se resuelven mediante las libreras de software libre OpenFOAMR®. En particular, los resultados para el campo de velocidad en el plano central axial, se comparan con los datos experimentales obtenidos previamente por el grupo de trabajo. El desarrollo del algoritmo y su validación mediante la simulación del problema ya descrito, permitiría estudios paramétricos para distintos fluidos conductores y configuraciones.