Введение к работе
- 3-
Актуальность работы.
В последнее время в металлургии и литейном производстве все большее распространение находят индукционные МГД-технологии. Это связано с возможностью бесконтактного силового воздействия на расплавы, высокая температура и химическая активность которых затрудняет или полностью исключает возможность использования традиционных средств контактного воздействия (сжатого газа, поршней, крыльчаток, погружных движущихся частей и других). Несмотря на довольно широкое промышленное внедрение МГД-технологий, вопросы создания новых и совершенствования известных устройств остаются актуальными, а методы их проектирования требуют дальнейшего развития и обобщения. Большое значение приобретает поиск общих подходов к анализу и разработке методик расчета различных МГД-устройств на основе единой теоретической базы.
Наиболее полную картину физических процессов в электромагнитной системе МГД - устройств можно получить на основе численного решения краевых задач, которое позволяет получить достоверную информацию об исследуемых процессах с учетом реальной геометрии, нелинейности и анизотропии магнитных свойств магнитопровода, а также гидродинамических процессов в жидкометаллическом рабочем теле. Физические процессы в электротехнологическом оборудовании металлургического назначения описываются законами электродинамики, теплодинамики и гидродинамики.
В настоящее время для решения краевых задач широко распространены численные методы конечных разностей и конечных элементов. На базе этих методов созданы программные продукты, широко используемые в математическом моделировании различных технических объектов. Наряду с ведущими мировыми учеными большой вклад в развитие численных методов внесли ученые СО РАН В.В. Шайдуров, Б.С. Добронец, Н.Я. Демиденко, В.Д. Кошур, Е.А. Новиков и др. Численному анализу электромагнитных полей посвящены работы К.С. Димирчяна, В.Л. Чечурина, О.В. Тозони, П.А. Курбатова и других авторов. В.Н. Тимофеевым был предложен метод анализа электромагнитного поля, основанный на дискретизации свойств сред расчетной области. Метод доведен автором и его учениками до стадии практического применения и использован для решения ряда задач электротехники. Вместе с тем, неисследовано поведение метода при решении краевых задач с разными краевыми условиями, особенностей выбора неподвижной системы координат при наличии движения сред и других факторов. Полученные частные решения не сведены в обобщенные математические модели электродинамических процессов в прямоугольной и цилиндрической системах координат. Такие модели необходимы для исследования и разработки МГД - устройств с различными геометрией, принципами действия и назначения.
Объект исследования - индукционные магнитогидродинамические устройства для нужд металлургии и литейного производства.
Предмет исследования - математические модели анализа электромагнитного поля в индукционных магнитогиродинамических устройствах^ на основе численного метода дискретизации свойств < P*SIC НАЦИШіАЛЬНАЧ
6*ЬЛМОТЕКft Cften**/»
о* sop у»
Пелью диссертационной работы является — развитие метода дискретизации свойств сред и разработка математических моделей индукционных магнитогидродинамических устройств металлургического назначения.
Задачи исследования обусловлены поставленной целью и включают: 1. Развитие метода дискретизации свойств сред применительно к решению краевых задач математического моделирования с краевыми условиями различного типа (периодические краевые условия, краевые условия на бесконечности, импедансные краевые условия).
-
Разработка обобщенных математических моделей анализа электромагнитного поля в прямоугольной и цилиндрической системах координат на основе метода дискретизации свойств сред.
-
Построение расчетных моделей известных индукционных магнитогидродинамических устройств металлургического назначения в соответствии с классификацией по виду индуцированного в их электромагнитных системах магнитного поля.
4. Подтверждение адекватности математических моделей путем сравне
ния результатов численного моделирования с данными натурного эксперимента
на физических моделях.
Методы исследования. Численный метод анализа электромагнитного поля на основе дискретизации свойств среды в расчетной области. Метод Гаусса, релаксационные методы. Статистические методы оценки воспроизводимости натурных опытов.
Научная новизна исследования состоит в следующем: 1. Развит численный метод математического моделирования индукционных МГД-устройств металлургического назначения на основе дискретизации свойств сред с учетом нелинейности, анизотропии, потерь на гистерезис в ферромагнитных элементах конструкции, движения жидкометаллического рабочего тела, при краевых условиях различного типа.
-
Разработаны одномерные, двухмерные и трехмерные математические модели индукционных МГД-устройств в прямоугольной и цилиндрической системах координат.
-
Предложена электрическая схема замещения многофазной индукционной машины, позволяющая определить режимы работы каждой фазы в зависимости от способа подключения к источнику электрической энергии.
Значение для теории. Подтверждена возможность применения метода дискретизации свойств сред при различных краевых условиях Развита теория анализа различных индукционных магнитогидродинамических устройств на основе обобщенных математических моделей путем дискретизации свойств среды в расчетной области.
Практическая ценность.
1. Разработаны алгоритмы и программы для исследования и проектирования индукционных МГД-насосов, МГД-перемешивателей и МГД - вращателей жидких металлов.
2. Предложены новые конструкции электромагнитных насосов и дозаторов (2 заявки на патент), линейной индукционной машины (заявка на патент), перемешивателей жидкой сердцевины прямоугольного слитка в процессе его кристаллизации (заявка на патент), отъемной индукционной единицы каналь-
ной печи для плавки алюминия с вращением расплава в канальной части (положительное решение на выдачу патента и заявка на патент).
3. Даны рекомендации для разработки новых и совершенствования известных индукционных МГД-устройств.
Достоверность научных результатов подтверждается тестированием и оценкой результатов применения разработанных математических моделей на основе численного метода дискретизации свойств сред путем сравнения с результатами, полученными с помощью аналитических выражений при равных допущениях, а также сравнения результатов вычислительного и натурного экспериментов на физических моделях.
Реализаиия результатов работы. Основные полученные в диссертационной работе результаты выполнены в рамках НИОКР кафедры «Электротехнологии и электротехника» КГТУ, «Научно-производственного центра Магнитная гидродинамика» и проектно-конструкторской и технологической деятельности ООО "Инженерно-технологический центр" при проведении математического и физического моделирования магнитогидродинамического (МГД) запорного устройства, для регулирования расхода расплава из раздаточного миксера, и МГД-перемешивателя жидкой сердцевины прямоугольного слитка алюминия высокой чистоты (АВЧ) в процессе его кристаллизации, при выполнении опытно-конструкторских и технологических работ по темам: «Разработка технических решений по внедрению МГД технологий в литейное производства» и «Разработка технологий литья слитков АВЧ с равномерной структурой, исключающей замешивание неметаллических включений внутрь слитка». Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе студентов специальности 180500 "Электротехнологические установки и системы". Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Положения выносимые на защиту:
-
Метод дискретизации свойств сред применительно к решению задач магнитной гидродинамики в прямоугольной и цилиндрической системах координат с краевыми условиями различного типа.
-
Расчетные модели индукционных МГД-устройств металлургического назначения в соответствии с различными видами магнитного поля (пульсирующее, вращающееся, бегущее и комбинированное).
-
Электрическая схема замещения многофазных индукционных МГД-устройств, позволяющая учесть эффект переноса мощности между обмотками разных фаз и рассмотреть электрические процессы в каждой фазе обмотки.
-
Результаты математического моделирования МГД-насосов и переме-шивателей жидких металлов.
-
Результаты натурного эксперимента на физических моделях многофазных индукционных МГД-насосов и электромагнитных перемешивателей жидкой сердцевины плоского слитка в процессе его кристаллизации.
Апробаиия работы. Материалы работы докладывались на Международном семинаре «Нагрев внешними источниками» (Италия, Падуа, сентябрь 2001), 4-ой Всероссийской научной конференции «Краевые задачи и математическое моделирование» (Новокузнецк, декабрь 2001), Международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (Германия, Ган-
-6~
новер, март 2003), Международной конференции «Электротехнологические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» - EECCES - 2003 (Екатеринбург, март 2003) и на двенадцати Всероссийских, краевых и внутривузовских конференциях и семинарах.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 24 работах автора (12 статей, 1 патент) список которых помещен в конце автореферата, а также двух положительных решениях на выдачу патента Российской федерации на изобретение. Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в -соавторстве, состоит в развитии численного метода дискретизации свойств сред, разработке расчетных, математических и физических моделей, алгоритмов и программ расчета индукционных МГД-устройств, проведении вычислительных и натурных экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения (10 стр.), четырех глав (42 стр., 44 стр., 38 стр., 32 стр.), списка литературы (121 источник на 12 стр.) и 3 приложений (6 стр.). Общий объем — 188 стр. '
