Измерения характеристик и контроль МГД-процессов

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор­ мулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.
В первой главе рассматриваются вихревые течения в плоском слое жид­ кого металла, возникающие под действием локализованного в пространстве и переменного во времени магнитного поля.
Основным инструментом измерения скорости металла в работе является ультразвуковой доплеровский анемометр (УДА), работа которого зависит от свойств стенки (толщина, плотность, скорость звука, скачок аккустического сопротивления на границе с рабочей жидкостью), что потребовало отработки методики на тестовом течении, в качестве которого использовалось течение Пу­ азейля в трубе кругового сечения (рис. 1). Длина канала более чем в 40 раз превышает его диаметр, что позволяет рассчитывать на однородный по длине профиль продольной скорости. Ожидаемое увеличение амплитуды пульсаций скорости (обозначено на рисунке вертикальными линиями) объясняется рас­ хождением ультразвукового луча и появлением дополнительной погрешности, связанной с частичным рассеянием эхо. Характеристикой качества является эф­ фективная глубина измерений скорости , равная максимальному расстоянию , на котором относительная разница между значениями скорости, измеренны­ ми с помощью УДА ̄( ) и с помощью электромагнитного расходомера не превышает
⃒ ̄( )− ⃒/| | < . Для критерия достоверности измерений было принято = 0.1. Рис. 2 показывает зависимость параметра качества от длины и диаметра волновода. Наибольшая эффективная глубина измерения оказывается у волно­ вода длиной = 26.8 мм, что составляет 39 (частота ультразвука 4 МГц). Диа­ метр волновода относительно слабо влияет на качество измерений при условии преодоления порога, при котором не происходит разрушения плоского фронта звуковой волны на границах волновода. На основе данных тестирования зву­ копроводящих стенок было решено для работ по исследованию структуры вих­ Рис. 1. Тестовое течение в трубе и ожидаемое распределение продольной скорости z см3/с см3/с см3/с см3/с см3/с см3/с l, мм d, мм Рис. 2. Зависимость параметра качества измерений от длины волновода (слева) и диаметра волновода (справа). ревых течений использовать ячейку из плексигласа с толщиной стенок 10 мм. Экспериментальная установка (рис. 3) включает в себя кювету из органиче­ ского стекла, заполненную жидким галлиевым сплавом, С-образный индуктор, сила тока в котором определяет интенсивность течений металла. Датчик УДА располагался на расстоянии 16 мм от края кюветы (при таком положении про­ филь скорости вдоль луча позволяет однозначно судить о структуре течения). Показано, что локализованное в пространстве и переменное во времени магнитное поле генерирует в жидкой проводящей среде вихревые течения, при­ чем структура поля электромагнитных сил схожа с распределением сил при электровихревом течении. Магнитопровод при этом оказывается некоторым аналогом токоподвода при ЭВТ. Такая аналогия позволяет моделировать те­ чения электромагнитной природы в лабораторных условиях без использования высокомощных источников питания. Локализация источника электромагнитных сил вблизи края слоя электро­ проводящей жидкости приводит к возникновению в металле крупномасштабно­ го течения с двухвихревой структурой. При размещении источника силового воздействия в центральной части слоя в жидкости возникает крупномасштаб­ ное четырёхвихревое течение, проявляющее колебательный характер. По мере 3Y 2X δ y x 4 Lx 1 δ dx dy Рис. 3. Схема экспериментальной установки (слева – общий вид, справа – вид сверху): 1. кю­ вета с жидким металлом, 2. C-образный индуктор, 3. катушки, 4. датчик УДА. L Ly L, мм L, мм мм мм а) б) Рис. 4. Относительная интенсивность четырёхвихревой (а) и двухвихревой (б) мод течения на плоскости параметров − . Пунктирная линия разделяет области различных типов течений. В области I течение имеет преимущественно четырёхвихревую структуру, в области II – двухвихревую, в области III течение имеет структуру смешанного типа. смещение области электромагнитного воздействия из центаральной части слоя к его краю происходит перестройка структуры течения. Измеренные профили скорости демонстрируют смещение точки перегиба, что говорит об изменении размеров вихревых структур при изменении положения индуктора переменного поля. Постепенно происходит затухание пары вихрей и усиление двух других, пока течение асимптотически не достигает развитой двухвихревой структуры. Построена карта режимов (рис. 4), разграничивающая области четырёх­ вихревого, двухвихревого течений и течения смешанного типа на плоскости па­ раметра силового воздействия = h 2/ 0 2 и смещения области действия переменного магнитного поля от геометрического центра слоя жидкого металла (здесь − высота слоя металла, h− толщина немагнитного зазора индуктора, 0− амплитудное значение магнитной индукции в зазоре, 0− магнитная по­ стоянная, − плотность металла, − кинематическая вязкость). Для каждого режима найдены характеристики энергии осреднённого и пульсационного тече­ ния (рис. 5), а также спектральные характеристики: доминирующая частота и δ, мм δ, мм а) б) Рис. 5. Средней (а) и пульсационная (б) кинетическая энергия на плоскости параметров − . Пунктирная линия разделяет области различных типов течений. мм а) мм б) Рис. 6. Выделенной частота колебаний скорости (а) и коэффициент заполнения спектра (б) на плоскости параметров − . Пунктирная линия разделяет области различных типов течений. уровень заполнения спектра (рис. 6). Четырёхвихревое течение характерезует­ ся регулярными колебаниями скорости, по закону близкому к гармоническому. Характерная частота пульсаций скорости составляет 0.33 Гц. Двухвихревое те­ чение является стационарным в том смысле, что основная энергия течения за­ ключена в осреднённой составляющей. Течение смешанного типа реализуется при относительно малых величинах силового воздействия и больших смещени­ ях области силового воздействия от центра слоя жидкого металла. Данный тип течения характерезуется нерегулярными пульсациями скорости, сопоставимы­ ми по величине с осреднённой составляющей течения. Результаты первой главы опубликованы в работах [2, 4, 7, 9, 10]. Во второй главе рассматривается возможность управления формой фронта кристаллизации при направленном затвердевании металла посредствам низкочастотных модуляций питания линейного индукционного перемешивателя бегущего магнитного поля. Управление скоростью и процессом кристаллизации посредством измене­ ния параметров питания технологической установки (перемешивателя) стано­ вится возможным за счет цепочки взаимосвязанных процессов: энергоснабже­ ние → электромагнитное поле → течение жидкого металла → тепломассооб­ мен → форма фронта кристаллизации [29–32]. Размеры рабочего канала (рис. 7) 450 × 20 × 75 мм3. Узкие стенки кана­ ла оборудованы медными теплообменниками. Канал размещается на линейной индукционной машине (ЛИМ) бегущего магнитного поля (БМП) размерами 480 × 350 мм2. Питание катушек осуществляется от трёхфазного программи­ руемого источника тока, позволяющего задавать форму выходного сигнала и осуществлять модуляцию бегущего магнитного поля. Положение фронта кристаллизации определяется при помощи УДА по уровню отраженного ультразвукового сигнала. На межфазной границе (жид­ кость/твёрдое тело) значительная часть ультразвуковых волн претерпевает от­ ражение. Это выражается в виде пика в сигнале эхо. Положение пика на коор­ Tгор Tхол Рис. 7. Схема экспериментальной установки: 1. канал, заполненный жидким металлом, 2. теп­ лообменники, 3. криотермостаты, 4. ЛИМ, 5. источник питания, 6. УДА, 7. датчики УДА. динатной оси соответствует положению фронта кристаллизации. Был разработан и протестирован алгоритм анализа профилей ультразву­ кового эхо. Точность локализации плоской поверхности составила 4% при сме­ щении границы раздела фаз в пределах 50 мм. Неровность границы раздела фаз при кристаллизации увеличивает погрешность за счет дополнительного рассеяния ультразвука на шероховатой поверхности кристаллической фазы. БМП порождает в жидкости двухвихревое течение. Больший вихрь зани­ мает центральную область кюветы. В пристеночной области образуется мень­ ший вихрь (рис. 8а, в). Его образование связано с ускорением жидкости по мере движения над плоскостью индуктора и изгибом линий тока на торцевой стен­ ке кюветы. Скорость жидкости в малом вихре несколько выше, чем скорость центрального. С увеличением интенсивности внешнего воздействия энергия вих­ а) б) в) г) Рис. 8. Средние по времени профили скорости течения в нескольких сечениях по высоте слоя: а) 14 мм, б) 30 мм, в) 46 мм, г) 62 мм. c c c c c V, см/с V, см/с Рис. 9. Распределение скорости движения фронта кристаллизации по высоты слоя для раз­ ных значений: а) силы тока, б) периодов реверсной модуляции БМП. рей увеличивается, что приводит к искажению свободной границы металла в области локализации вихрей. При наложении низкочастотных модуляций про­ странственная структура вихрей остаётся неизменной. Тем не менее, временные характеристики течения изменяются в соответствии с модуляцией вынуждаю­ щей силы. В качестве основных характеристик эффективности перемешивания жид­ кого металла были выбраны среднее ср и пульсационное пулс числа Рей­ нольдса, рассчитанные по максимуму средней и пульсационной составляющих x-компоненты скорости, толщине слоя и кинематической вязкости сплава. Уси­ ление магнитного поля приводит к нелинейному росту скорости течения с вы­ ходом на участок насыщения, начиная с токов питания индуктора 5 А. При этом как среднее так, и пульсационное числа Рейнольдса достигают своего мак­ симума. Наличие участка насыщения говорит о неэффективности управления перемешиванием жидкого металла только за счет увеличения электрической мощности индукционной машины. Увеличение периода модуляции приводит к уменьшению ср и росту пулс. Наибольшая интенсивность гидродинамических пульсаций наблюдается в области локализации крупномасштабного вихря (вблизи дна слоя и свободной поверхности). Эти пульсации повторяют форму модуляций электромагнитного поля и представляют собой низкочастотное квазистационарное течение, на фоне которого возникают вторичные мелкомасштабные структуры. Рассмотрены четыре режима кристаллизации. В первом режиме процесс кристаллизации металла происходил без перемешивания. Возникающее под дей­ ствием перепада температуры адвективное течение имело малую интенсивность (максимальная скорость потока не превышала 5 · 10−3 м/с). Во втором режиме жидкий металл перемешивался принудительно постоянно приложенным БМП. В режиме реверсной модуляции направление БМП изменялось периодически. В последнем режиме направление БМП было постоянным, но его величина из­ менялась по периодическому закону. При каждом из режимов принудительного перемешивания скорость течения жидкого металла была порядка 10−1 м/с. На рис. 9 приведены профили скорости движения фронта кристаллизации по вы­ соте слоя при различных режимах генерации течения в жидкой фазе. h, мм h, мм В отсутствие принудительного перемешивания подвод тепла к границе раз­ дела фаз осуществляется за счет малоинтенсивной естественной тепловой кон­ векции. Наложение внешнего БМП приводит к значительному усилению тече­ ния. Это обеспечивает сглаживание формы фронта кристаллизации за счет вы­ равнивания распределения тепловой энергии по высоте слоя. Модуляция БМП оказывает дополнительное влияние на сглаживание фронта кристаллизации благодаря изменению скорости и структуры течения в жидкой фазе. Перио­ дическая подкачка нагретой жидкости оказывает положительное влияние на выравнивание границы раздела фаз. Были найдены зависимости эффективно­ сти уплощения фронта кристаллизации от способа энергопитания индуктора БМП, а также предложен физический механизм, объясняющий наблюдаемые изменения в поведении системы. Результаты второй главы опубликованы в работе [1, 3, 11–13]. В третьей главе рассматривается процесс электромагнитного разделе­ ния фаз различной электропроводности. Целью исследования является изуче­ ние общих тенденций и закономерностей разделения фаз в многокомпонентной проводящей жидкости от параметров (в том числе силовых) процесса. Экспериментальная установка включает сепарационный плексигласовый канал, помещенный между полюсами электромагнита. На вход канала подаёт­ ся раствор электролита. После канала жидкость по трубопроводу поступает в расходомерную и измерительную ячейки. Подсветка измерительной ячейки осу­ ществляется светодиодным источником света, рассеянного через матовые стек­ ла. Расход жидкости в системе задаётся положением регулирующих вентилей и определяется УДА. Процесс сепарации реализуется в канале (рис. 10), который представляет собой плоскую прямоугольную кювету 1 с рядом подвижных перегородок 2, задерживающих сепарированную примесь в области 3, с двумя медными элек­ тродами 4 для пропускания тока вдоль кюветы, а также с выравнивателями AAA 5 8 10 10 A Рис. 10. Схема сепарационного канала установки: 1. сепарационный канал, 2. подвижные перегородки, 3. область действия электромагнитных сил, 4. медные электроды, 5. выравни­ ватели потока, 6. полюса электромагнита, 7. входной штуцер, 8. выходной штуцер, 9. магни­ топровод, 10. катушки электромагнита, 11. приэлектродные сетки, 12. датчик УДА. g 6 5 7 11 4 B 6 потока 5. Сепарационный канал располагается между полюсами электромагни­ та 6. Вертикальные перегородки 2 выполнены из проводящего электрический ток материала. В канал жидкость поступает через штуцер 7, а выходит через аналогичный штуцер 8. Выравниватели потока 5 установлены в местах распо­ ложения краев сердечника электромагнита для предотвращения образования вихрей под действием неоднородного в этой области магнитного поля. Электри­ ческий ток, проходя через электролит, взаимодействует с внешним постоянным магнитным полем создаваемым электромагнитом, состоящим из ферромагнит­ ного магнитопровода 9 и двух катушек 10. Электрический ток пропускается через электролит таким образом, чтобы обеспечить квазиутяжеление раствора. Всплывшие частицы примеси задерживаются между перегородками 2 в обла­ сти 3. В области размещения электродов дополнительно устанавливаются вер­ тикальные сетки 11 из непроводящего материала, задерживающие пузырьки газа, образующиеся на электродах в процессе электролиза. Отсутствие таких сеток приводит к попаданию большого количества пузырьков в зону сепарации и снижает её эффективность. Дополнительный контроль за вторичными тече­ ниями в вертикальной плоскости канала осуществлялся при помощи датчика УДА 12. Датчик располагался вертикально между двумя удерживающими пере­ городками 2. Питание электромагнита осуществлялось источника постоянного тока. В качестве рабочей жидкости использовался водный раствор калийной щелочи. Примесью служили карбоновые частицы размером от 10 до 300 мкм. Концентрация примеси определялась методом фотосъёмки слоя жидкости с примесью. Фотоячейка представляла собой U-образный каркас из плексигла­ са, с каналами в нижней части, обеспечивающими проточное течение электроли­ та. С широких сторон жидкость была ограничена стенками из расположенных параллельно друг другу кремниевых стекол. Верхняя поверхность была свобод­ ной, обеспечивая возможность удаления пузырьков газа, образовавшихся при электролизе и затянутых в измерительную ячейку проточным течением. Из фотографии вырезалась центральная квадратная область, которая из полноцветного RGB конвертировалось в двумерный бинарный массив. После обработки изображения использовались два метода анализа. В первом случае подсчитывалось общее количество примеси (единичных значений, отвечающих наличию частиц, на нулевом фоне). Концентрация находилась по относитель­ ному уровню затемнения изображения. Во втором случае проводился фракци­ онный анализ изменения концентрации: в бинарном изображении находились положения отдельных частиц примеси, подсчитывался их размер и положение. В данной главе исследовалась эффективность процесса сепарации приме­ си в зависимости от величины приложенной электромагнитной силы, скорости транзитного течения через сепарационный канал, положения задерживающих перегородок, типа верхней поверхности электролита в канале и угла наклона канала к направлению силы тяжести. Установлено, что повышение интенсивно­ сти силового воздействия снижает эффективность процесса за счёт генерации вторичных вихревых течений в области действия сил. Эффективность процесса t, c Рис. 11. Изменение концентрации карбоновых частиц в щелочи в процессе сепарации при различных значениях внешнего магнитного поля : 1. = 0.235 Тл, 2. = 0.465 Тл, 3. = 0.695 Тл. разделения фаз значительно снижается при повышении скорости транзитного течения через область силового воздействия. При этом поток остаётся лами­ нарным даже при наибольших рассматривавшихся в работе расходах жидкости (максимальное число Рейнольдса 1600). Наличие непроницаемых для потока пе­ регородок в сепарационном канале не оказывает влияния на эффективность раз­ деления фаз, при условии что расположение перегородок не приводит в генера­ ции дополнительных вторичных течений. При размещении перегородок таким образом, что они отсекают половину высоты канала, возникающие в жидкости вихревые течения снижают общую эффективность процесса разделения фаз за счёт перемешивания дисперсной среды. Эффективность процесса разделения t, c Рис. 12. Относительное изменение концентрации карбоновых частиц в щелочи в процессе сепарации при различных расходах в системе прокачки жидкости: 1.- = 5.88 · 10−6 м3/с, 2. =10.4·10−6 м3/с,3. =14.9·10−6 м3/с. C/Cмакс C/Cмакс фаз повышается при наличии свободной верхней границы жидкости в области силового электромагнитного воздействия. По-видимому, это связано с аккуму­ ляцией примеси на свободной границе жидкости за счёт сил поверхностного на­ тяжения. Установка несмачиваемой верхней границы снижает эффективность процесса разделения фаз приблизительно на 10%. Наклон сепарационного кана­ ла на небольшой угол к направлению силы тяжести положительно сказывается на эффективности процесса разделения фаз. Установлено, что наклон канала на 4.6∘к вертикали повышает эффективность процесса приблизительно на 4%. Результаты третьей главы опубликованы в работе [5, 6, 8]. В Заключении подводятся итоги диссертационной работы. 1) Выполнен детальный анализ влияния на точность измерений скорости и положения фронта кристаллизации металлического расплава при помощи уль­ тразвуковой доплеровской анемометрии таких факторов, как толщина и свой­ ства материала стенок экспериментальной ячейки и волноводов, изменение теп­ лофизических свойств жидкости и рассеяния ультразвуковых пакетов на гра­ ницах раздела фаз. Разработаны методики измерений скорости и положения фронта кристаллизации металлического расплава, адаптированные к условиям конкретных МГД-экспериментов. 2) На плоскости управляющих параметров построена карта режимов вих­ ревых течений, возникающих в плоском слое жидкого металла под действием локализованного в пространстве переменного во времени магнитного поля. В качестве управляющих параметров выступают параметры, определяющие ин­ тенсивность силового воздействия и положение области действия магнитного поля. Найдены границы существования мод, соответствующих двухвихревому и четырёхвихревому течениям, а также спектральные характеристики пуль­ саций скорости в указанных режимах. Четырёхвихревое течение оказывается существенно нестационарным, с доминирующей частотой пульсаций в диапа­ зоне 0.2 − 0.35 Гц, возрастающей с увеличением интенсивности внешнего воз­ действия. Двухвихревое течение стационарно и становится неустойчивым при максимальных рассмотренных величинах силового воздействия. Возникающие колебания вихрей происходят с частотой порядка 0.5 Гц. Обнаружен режим смешанного типа, характеризующийся сравнительно низкой энергией течения и хаотичными пульсациями скорости. Повышение интенсивности магнитного поля приводит к переходу от этого режима к стационарному двухвихревому течению. 3) В лабораторном эксперименте доказана возможность управления фор­ мой фронта кристаллизации при направленном затвердевании слитка посред­ ством модуляции питания линейного индукционного перемешивателя. Установ­ лено, что увеличение силы тока питания перемешивателя сверх критических значений является неэффективным для усиления перемешивания жидкого ме­ талла, в силу наличия участка насыщения в зависимости средней и пульсаци­ онной составляющих энергии течения от силы тока. Низкочастотные модуля­ ции питания изменяют структуру генерируемых в жидком металле течений и повышают энергию пульсационной составляющей потока, что приводит к сгла­ живанию фронта кристаллизации. Экспериментально показано, что изменение частоты и типа модуляций питания позволяет управлять формой фронта кри­ сталлизации. Наибольший эффект сглаживания фронта достигнут при гармо­ нической модуляции тока питания силой 4.0 A с периодом модуляции 20 с. 4) Экспериментальное исследование процесса очистки электропроводящей жидкости от твёрдых включений отличной электропроводности электромагнит­ ным методом в полости комплексной геометрии показало, что максимальная эф­ фективность процесса очистки достигается при умеренных магнитных полях. Наличие транзитного течения жидкости через область действия электромаг­ нитных сил снижает эффективность процесса, но повышает технологичность метода. Наличие дополнительных перегородок относительно слабо влияет на эффективность очистки, однако помогает предотвратить возникновение вторич­ ных вихрей в жидкости. Кроме того, желательным для повышения эффектив­ ности очистки является наличие свободной поверхности жидкости, поскольку примесные частицы удерживаются на ней посредствам поверхностного натяже­ ния. Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы Полученные сведения о влиянии массовых потоков позволяют оптимизиро­ вать технологический процесс перемешивания металла в ходе кристаллизации за счет изменения режимов питания перемешивателей. Дальнейшее развитие методов электромагнитной очистки жидких прово­ дящих сред должно выполняться с использованием легкоплавких жидких ме­ таллов, для исключения влияния электрохимических факторов свойственных электролитическим растворам.