Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, вследствие повышенных требований к энергоэффективности электрометаллургических установок наблюдается устойчивая тенденция к увеличению их мощности. В связи с этим обстоятельством на практике приходится иметь дело с усилением влияния различных МГД-эффектов и, в частности, генерацией в токонесущей жидкости - расплаве металла т.н. электровихревых течений (ЭВТ). Наличие ЭВТ, которые образуются в результате взаимодействия электрического тока, пропускаемого через электропроводящую жидкость, с собственным магнитным полем (МП) этого тока, приводит к кардинальной перестройке гидродинамической структуры в объеме плавящегося металла. Данное обстоятельство в значительной степени влияет на энергозатраты и качество выпускаемой продукции, что обуславливает первостепенную важность и актуальность изучения электровихревых течений.
Экспериментальное исследование электровихревых течений в промышленных условиях сильно затруднено вследствие отсутствия надежных методов измерения скорости и температуры в высокотемпературной и агрессивной среде жидкого металла. Расчетные методы исследования ЭВТ, со своей стороны, требуют верификации. Поэтому комбинированный способ изучения ЭВТ методом физического моделирования на «холодных» жидких металлах, с помощью специально разработанных для этих целей волоконно-оптических датчиков, и численного моделирования является наиболее продуктивным.
Особое место среди модельных исследований ЭВТ занимает задача изучения гидродинамической структуры течения, вызванного растеканием электрического тока от точечного источника в полусферический объём, который заполнен жидким металлом. Подобная геометрия рабочей ванны имеет ряд важных практических преимуществ и характерна для промышленных задач связанных с переплавом металла (электрошлаковая сварка, электродуговой и электрошлаковый переплав) и одновременно она позволяет изучать ЭВТ расчетным путем в наиболее общем виде, поскольку для этих условий существуют аналитические зависимости для плотности тока и магнитного поля. Кроме того, на полусферической модели наблюдался интересный, не до конца понятный физический эффект спонтанной закрутки осесимметричного электровихревого течения. Перечисленные обстоятельства определяют цель и задачи исследования.
Цель работы. Методом физического и численного моделирования исследовать гидродинамические и тепловые характеристики электровихревого течения, возникающего при растекании электрического тока от малого (точечного) электрода в объём полусферической ванны.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
-
Создать экспериментальный стенд и разработать методику исследования полей скорости и температуры ЭВТ в полусферическом контейнере с использованием волоконно-оптических датчиков.
-
Разработать методику численного расчета полей скорости, температуры и магнитного поля в токонесущей жидкости.
3) Провести экспериментально-расчетные исследования:
полей скорости и температуры электровихревого течения в условиях отсутствия и при наличии воздействия внешних магнитных полей (включая магнитное поле Земли);
деформации свободной поверхности жидкого металла под действием электрического тока и ее влияния на структуру ЭВТ;
влияния электровихревых течений, в том числе управляемых внешним магнитным полем, на процессы перемешивания и плавления.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты исследований полей скорости и температуры в электровихревом течении.
-
Результаты изучения влияния внешнего магнитного поля на электровихревое течение.
-
Результаты изучения влияния деформации свободной поверхности на характеристики ЭВТ.
-
Результаты оценок влияния ЭВТ и внешних магнитных полей на процессы плавления и перемешивания металла.
-
Методика расчета магнитных полей на нерегулярной сетке.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
С помощью разработанных и изготовленных в ОИВТ РАН оригинальных волоконно-оптических датчиков скорости впервые проведены систематические измерения осевой и азимутальной составляющей скорости электровихревого течения расплавленного металла в полусферической ванне. Получены новые опытные данные по осредненным и пульсационным характеристикам турбулентных полей скорости и температуры.
-
Посредством усовершенствованной методики расчета магнитного поля впервые численным способом изучено возникновение и временное развитие электровихревого течения в полусферической полости в условиях отсутствия и наличия внешних магнитных полей, включая магнитное поле Земли.
-
Впервые экспериментально-расчетным методом исследована деформация свободной поверхности расплавленного металла и её влияние на интенсивность ЭВТ в объёме токонесущего расплава металла.
-
Получена новая информация о влиянии ЭВТ в отсутствии и при наличии внешних магнитных полей на процессы перемешивания и плавления металла.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обеспечивается согласованностью экспериментальных и расчетных данных, а также соответствием с результатами, полученными другими авторами.
Практическое значение. Полученные экспериментально-расчетные данные по полям скорости и температуры, важны для углубленного понимания механизмов тепловых и гидродинамических процессов, которые имеют место в электрошлаковых и электродуговых технологиях сварки и переплава металлов. Особый практический интерес представляют результаты исследования влияния внешних магнитных полей, включая магнитное поле Земли, на структуру ЭВТ свидетельствующие
о её кардинальной перестройке в этих условиях. Этот факт, как правило игнорируется при расчетах процессов протекающих в реальных плавильных агрегатах.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на национальных и международных конференциях, в том числе: Second International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer (Netherlands, Delft, 1997); Российские национальные конференции по теплообмену (РНКТ4, РНКТ5 Москва 2006, 2010); XIV, XV, XVI и XVII Школы-семинары молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева (Рыбинск 2003, Калуга 2005, Санкт-Петербург 2007, Жуковский 2009, Звенигород 2011); Минский Международный формум по тепломассообмену (Минск 2007,2012); World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Japan, Matsushima 2005; Poland, Krakow 2009); 8th PAMIR International Conference on Fundamental and Applied МНЕ) (France, Corsica 2011); III, IV Международная конференция Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках (Москва 2008, 2011); Российская конференция по магнитной гидродинамике (Пермь 2012); 5th International Symposium on Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics (Haifa, Israel, 2013).
Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов РФФИ: 03-02-20009-6, 04-02-17145-а, 07-08-00464-а, 13-08-90444 укр-ф-а.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 26 печатных публикациях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Автор внес решающий вклад в результативную часть диссертационной работы. Была модернизирована экспериментальная установка и проведены эксперименты по изучению гидродинамики и теплообмена ЭВТ. Разработан метод расчета магнитных полей и проведены расчеты полей скорости и температуры.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертации содержит 148 страниц текста с 95 рисунками и 8 таблицами. Список литературы содержит 72 наименования.
