Исследование гидродинамических процессов в жидкометаллическом вторичном элементе индукционных МГД машин : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

Электромагнитное управление и контроль потоков электропроводной жидкости широко применяется в металлургии. Возбуждение течений жидко­ го металла позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массобмена мно­ гих технологических операций. Более того, данное явление позволяет контро­ лировать свойства материалов путем воздействия на конвективные потоки в процессе кристаллизации. Перемешивание переменным электромагнитным полем многократно показало свою эффективность в различных технологи­ ческих приложениях. Однако, ряд исследований проведен эксперименталь­ но, для частных случаев, и поэтому, для более полного понимания процес­ сов протекающих в непрозрачном жидко-металлическом вторичном элементе необходимы дополнительные численные исследования. Полученные при этом результаты способны повысить эффективность технологических операций и устройств электромеханических преобразователей данного типа.
Вопросами исследования процессов в электропроводящей жидкости под воздействием переменных магнитных полейзанимаются научные коллективы под руководством Колесниченко И.В. и Хрипченко С.Ю. (Институт механи­ ки сплошных сред), Тимофеева В.Н., Хацаюка М.Ю. (Сибирский федераль­ ный университет), Кириллова И.Р., Обухова Д.М. (НИИЭФА), Gerberth G., Eckert S. (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf), Jakoviˇcs А. (University of Latvia), Baake E., Nacke B. (Leibniz University Hannover), Fautrelle Y. (Grenoble Institute of Technology), Mikhailovich B. (Ben-Gurion University of the Negev), Bojarevics V. (University of Greenwich), Wang X. (University of Chinese Academy of Sciences). Так же в Уральском федеральном университете с 60-х годов два­ дцатого века существует школа исследующая электромагнитное перемешива­ ние и транспорт жидкого металла преимущественно с точки зрения электро­
5
механики.
Процессы протекающие в МГД машинах являются связанными и не мо­
гут рассматриваться в рамках отдельной дисциплины. Это положение дела­ ет данную область исследования междисциплинарной, сочетая подходы не только электромеханики, а также механики жидкости, теплотехники и ме­ таллургии. Поэтому по изложению данная работа может отличаться от клас­ сических электромеханических работ. Что объясняется необходимостью ком­ плексного подхода к рассмотрению области МГД техники.
В настоящее время ведутся исследования по влиянию электромагнитно­ го перемешивания различных сплавов на их макро- и микроструктуру при кристаллизации, эффективности процессов перемешивания пассивной приме­ си и гомогенизации температуры в объеме расплава, а также технологии вы­ ращивания полупроводниковых кристаллов. Активно ищутся оптимальные и предлагаются альтернативные технологии (техники) и устройства электро­ магнитного перемешивания. Для этого актуальным и необходимым становит­ ся более глубокое понимание физических процессов, протекающих в жидком металле под воздействием бегущего магнитного поля в различных техноло­ гических приложениях.
Цель диссертационной работы состоит в описании процессов тепло- и массообмена в жидкометаллическом вторичном элементе МГД машины с бегущим магнитным полем.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
∙ разработка численных моделей линейных индукционных машин с жид­ кометаллическим вторичным элементом для решения связанных задач на основании МКЭ и МКО;
∙ верификация результатов расчетов моделей путем сравнения с экспери­ метально полученными данными;

6
∙ анализ влияния параметров бегущего магнитного поля на потоки, мас­ сообмен, и затвердевание жидкого металла;
∙ анализ влияния пульсирующей и реверсивной модуляции во времени магнитного поля индукторов на эффективность перемешивания;
∙ формулировкарекомендацийдляисследованийипроектированияустройств данного типа.
Научная новизна определяется разработанными численными моделя­ ми электромагнитного перемешивания металлического расплава воздействи­ ем бегущего магнитного поля. С их помощью получены следующие результа­ ты:
∙ характеристики влияния положения и формы фронта кристаллизации на удельное объемное электромагнитное усилие в жидкой фазе под дей­ ствием бегущего магнитного поля;
∙ зависимости интенсивности гидродинамических течений расплава от электрических параметров и характера питания обмоток для случая с односторонним индуктором;
∙ динамикараспределениянерастворенных,твердыхчастицвобъемежид­ кого металла под действием бегущего магнитного поля, оценка влияния параметров индуктора и размеров емкости на эффективность переме­ шивания;
∙ числено рассчитан процесс затвердевания чистого металла под воздей­ ствием бегущего магнитного поля. Экспериментально и численно произ­ веден анализ влияния пульсаций поля на параметры течений расплава.

7
Теоретическая и практическая значимость выражается в получен­ ных численных моделях, которые адекватно отображают физические процес­ сы в жидком металле при электромагнитном перемешивании. С помощью этих моделей выполнен анализ и определены зависимости процессов тепло- и массообмена в жидком металле под действием бегущих магнитных полей.
Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для исследования процесса электромагнитного перемешивания, а также эксплуа­ тации и проектирования магнитогидродинамических машин с бегущим маг­ нитным полем.
Методология и методы исследования Основным подходом исследо­ вания, используемым в диссертации, является численное моделирование. Дан­ ное математическое моделирование осуществлялось с помощью методов ко­ нечных элементов и объемов. Для реализации решения уравнений на основе указанных методов использовались коммерческие пакеты COMSOL Multyphysics, Ansys Meachanical APDL и Fluent. Методом конечных элементов (МКЭ) вы­ полнялся расчет электромагнитного поля, гидродинамических течений и трак­ тории сферических частиц. Методом конечных объемов (МКО) решались за­ дачи гидродинамики, температурного поля и фазового перехода (затвердева­ ния). Основной особенностью электромагнитного расчета является использо­ вание безиндукционной постановки. Течения жидкого металла вычислялись
с помощью различных моделей турбулентности.
Верификация численных расчетов выполнялась в несколько этапов. Пер­ вый этап заключался в сравнении с измереными значениями магнитной ин­ дукции и электромагнитного усилия. На втором этапе проводилось измерение скорости жидкого металла при помощи Допплеровского измерителя скорости и сопоставление с расчетными данными. Положение фронта кристаллизации верифицировалось посредствам сравнения со снимками, полученными мето­ дом нейтронной радиографии.

8
На защиту выносятся следующие основные результаты и поло­ жения:
1. Верифицированные численные модели связанных электромагнитных и гидродинамических полей с учетом фазового перехода и вычислением траекторий движения частиц.
2. Полученные характеристики гидродинамических течений, распределе­ ния примеси и процесса затвердевания под действием бегущего магнит­ ного поля.
3. Исследование и анализ применения модулированного во времени (пуль­ сирующего и реверсивного) бегущего магнитного поля на процесс элек­ тромагнитного перемешивания.
Cтепень достоверности результатов проведенных исследований под­
тверждается сравнением результатов расчета, полученных различными мето­ дами с данными экспериментов и результатами других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладыва­ лись автором на следующих конференциях:
∙ IEEENWRussiaYoungResearchersinElectricalandElectronicEngineering Conference, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2018.
∙ ХХ Зимняя школа по механике сплошных сред, ИMCC УРО РАН, г. Пермь, 2017.
∙ Конференция «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве», УрФУ, Екатеринбург, 2017.
∙ VIII International Scientific Colloquium Modelling for Materials Processing (MMP-17), Riga, Latvia, 2017.

9
∙ Третья конференция молодых ученых Уральского энергетического ин­ ститута, Екатеринбург, 2018.
∙ ТретьяРоссийскаяконференцияпомагнитнойгидродинамике(РМГД-18), ИMCC УРО РАН, Пермь, 2018.
∙ The9thInternationalSymposiumonElectromagneticProcessingofMaterials (EPM-18), Hyogo, Japan, 2018.
∙ International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources (HES-19), Padua, Italy, 2019.
∙ XXI Международная научная конференция «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», Самара, 2019.
∙ XXV Конференция «Алюминий Сибири», Красноярск, 2019
∙ Всероссийский форум Математическое моделирование в естественных
науках, Пермь, 2019
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них 8 статей в рецензируемых журналах [1–8] и 7 публикаций в сборниках трудов конференций [9–15] .
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, заключения и библиографии. Общий объем дис­ сертации 181 страниц, из них 160 страницы текста, включая 87 рисунков. Библиография включает 178 наименований на 16 страницах.