На правах рукописи

Тепляков Игорь Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОВИХРЕВОГО

ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА В

ПОЛУСФЕРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Объединенный институт высоких температур РАН».

Научный руководитель: кандидат технических наук Ивочкин Юрий Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Олег Арсеньевич Синкевич, профессор кафедры инженерной теплофизики ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

кандидат технических наук Шпанский Юрий Сергеевич начальник лаборатории Института физики токамаков НИЦ «Курчатовский институт»

Ведущая организация: ФГБУН «Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 года в 11 час. 30 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., дом 17, корпус Т, кафедра инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, аудитория Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., дом 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 212.157. к.т.н. А.К. Ястребов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1) Создать экспериментальный стенд и разработать методику исследования полей скорости и температуры ЭВТ в полусферическом контейнере с использованием волоконно-оптических датчиков.

2) 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:

1) Результаты исследований полей скорости и температуры в электровихревом течении.

2) Результаты изучения влияния внешнего магнитного поля на электровихревое течение.

3) Результаты изучения влияния деформации свободной поверхности на характеристики ЭВТ.

4) Результаты оценок влияния ЭВТ и внешних магнитных полей на процессы плавления и перемешивания металла.

5) Методика расчета магнитных полей на нерегулярной сетке.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) 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.

2) 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.

3) Впервые экспериментально-расчетным методом исследована деформация свободной поверхности расплавленного металла и её влияние на интенсивность ЭВТ в объёме токонесущего расплава металла.

4) 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, РНКТ 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 MHD (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: 03-02б, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы. Там же дается общая характеристика изучаемых проблем, формулируются основные цели исследования, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе представлен обзор теоретических, экспериментальных и расчетных работ по исследованию гидродинамики и теплообмена электровихревых течений токонесущей жидкости преимущественно в осесимметричной постановке задачи. Помимо этого в ней кратко описаны физические основы возникновения ЭВТ и показано, что исследовательская модель, в которой электрический ток от точечного источника растекается в полусферический объём, заполненный жидким металлом, чрезвычайно удобна для изучения закономерностей электрошлаковой сварки, а также электрошлакового и элекродугового переплава металлов. В заключительной части обзорной главы, на основании проведенного анализа литературных данных, сформулированы цели представленной диссертации.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики измерений. Схема установки изображена на рис. 1. Рабочий участок установки Рис. 1 Схема экспериментальной установки. 1 – соленоид; 2 – охлаждающая ванна; 3 – теплообменник; 4 – медный контейнер (большой электрод); 5 – эвтектический сплав In-Ga-Sn; 6 – термопарный зонд; 7 – малый электрод; 8 – токоподвод; 9 – термопары; 10 – волоконнооптический датчик скорости; 11 – усилитель сигнала; 12 – аналого-цифровой преобразователь;

13 – компьютер 14; – система охлаждения источника тока; 15 – источник тока.

представляет собой медный полусферический контейнер 1, заполненный эвтектическим сплавом индий-галлий-олово 2, с содержанием по весу In – 67%, Ga – 20.5%, Sn – 12.5% (температура плавления сплава составляет +10.50С) являющийся электродом. В центре свободной поверхности жидкого металла размещен малый электрод 7, представляющий собой медный стержень с полусферическим торцом радиусом 2.510 мм. В начальном состоянии электрод погружен в расплав на глубину своего радиуса. Вторым электродом является полусферический контейнер диаметром 188 мм. От источника постоянного тока (собранного по схеме Ларионова) 15, по токоподводу 8 к электродам подводится постоянный электрический ток. Стабильность работы диодов источника тока обеспечивается с помощью системы охлаждения 14. Для измерений температуры малого и большого электродов, а также температурного поля в расплаве используются термопары (тип медьконстантан) 9 и специальный температурный зонд 6. Измерение скорости осуществляется волоконно-оптическим преобразователем1 (ВОПС) 10. Сигналы с датчиков температуры и скорости зондов поступают на усилитель 11, и далее передаются на аналого-цифровой преобразователь 12, установленный в слот шины PCI компьютера 13. Управляемое внешнее магнитное поле создается соленоидом 1, электропитание которого осуществляется от дополнительного источника постоянного тока типа Hewlett Packard 6260. Охлаждение и заморозка расплава происходит при помощи охлаждающей ванны 2 с теплообменником 3.

Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Типичные характеристики используемого в экспериментах волоконнооптического датчика скорости приведены в таблице 1.

Чувствительный элемент преобразователя (рис. 2) представляет собой полый Таблица 1 Характеристики датчика скорости стеклянный конус 1 плавно переходящий на длине 2 3 мм в Диапазон измерения осредненной 0. скорости, см/с