Статья
| Наименование | Моделирование процессов перемешивания при электровихревых течениях расплава | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Металлургия | ||||
| Год | 2025 | Выпуск | 82 | Страницы | 27 - 35 |
| УДК | 669.187.2 | EDN | JMUNFJ | ||
| Аннотация | Приведена математическая модель и результаты численных исследований процесса перемешивания расплава электровихревыми течениями в установке с осесимметричными электродами с использованием метода переноса пассивной примеси. При оценке качества перемешивания проанализировано изменение во времени значений пяти критериев, характеризующих неоднородность расплава, построенных на основе подходов математической статистики. Показано, что при принятых условиях моделирования наиболее удобно использовать критерий, представляющий собой нормированное среднее линейное отклонение концентрации примеси. При моделировании оценена интенсивность турбулентной диффузии по сравнению с конвективным переносом примеси и молекулярной диффузией. Адекватность гидродинамических расчетов подтверждена путем сопоставления модельного поля скорости с экспериментальными данными. | ||||
| Реферат | Цель. Моделирование процессов перемешивания в ванне расплава и анализ основных показателей качества перемешивания.
Методика. Использована модель нестационарного переноса пассивной примеси, учитывающая конвективный перенос, молекулярную и турбулентную диффузию для исследования процессов перемешивания расплава электровихревыми течениями в установке с осесимметричными электродами при токе в электродах 250 А. Проанализированы имеющиеся в литературе пять различных критериев, характеризующих степень неоднородности расплава, построенных на основе подходов математической статистики. Расчет гидродинамического поля проводился в пакете Star CCM+. Результаты. При принятых условиях моделирования перенос примеси в расплаве происходит вдоль траекторий электровихревых течений, при этом за счет турбулентной диффузии области распределения примеси существенно расширяются. Минимальные значения концентрации примеси наблюдаются вблизи боковых стенок ванны, при этом наблюдается некоторая несимметрия распределения концентрации примеси относительно оси ванны. Показано, что критерии неоднородности расплава, построенные на основе среднеквадратического отклонения и коэффициента осцилляции, при принятых условиях моделирования неточно отражают процессы перемешивания расплава за счет большой скорости снижения их значений во времени, при этом наиболее адекватным критерием является критерий, представляющий собой нормированное среднее линейное отклонение концентрации примеси. Выполнено сопоставление расчетного поля скорости с экспериментальными данными, при этом среднее отклонение не превышает 5 %. Научная новизна. С использованием трехмерного математического моделирования получили дальнейшее развитие представления о закономерностях переноса пассивной примеси электровихревыми течениями в полусферической ванне расплава установки с осесимметричными электродами. Впервые показано, что при электровихревых течениях наиболее объективным, устойчивым и наглядным критерием неоднородности расплава является критерий, представляющий собой нормированное среднее линейное отклонение концентрации примеси. Показано, что турбулентная диффузия при принятых условиях моделирования существенно расширяет области распределения примеси в расплаве и более чем в 4 раза увеличивает степень его гомогенности. Практическая значимость. Разработанная методика моделирования и анализа показателей перемешивания расплава может использоваться при исследовании процессов гомогенизации и рафинирования расплавов в плавильных агрегатах и рудовосстановительных печах, а также в агрегатах для внепечной обработки и разливки. |
||||
| Ключевые слова | расплав, перемешивание, электровихревое течение, примесь, моделирование. | ||||
| Финансирование | |||||
| Список источников |
1. Кухарев А. Л. Электромагнитные, гидродинамические и тепловые процессы в многоэлектродных печных установках: монография. Луганск: изд-во ЛГУ им. В. Даля, 2021. 276 с.
2. Vinogradov D., Teplyakov I., Ivochkin Yu. Stirring of liquid metal in electrovortex flow in a hemispherical volume under the influence of external magnetic field // Journal of Physics: Conference Series. 2021. 1809. 012034. DOI: 10.1088/1742-6596/1809/1/012034. EDN YOMIAX
3. Оборин П. А., Хрипченко С. Ю. Генерация течения жидкого металла и перенос пассивной примеси в прямоугольной полости бегущим магнитным полем // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6. № 2. С. 207–213. DOI: 10.7242/1999-6691/2013.6.2.24. EDN NPRBWX
4. Математическое моделирование электромагнитного перемешивания жидкой стали в дуговой печи постоянного тока / С. А. Смирнов [и др.] // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. Вып. 1. С. 74–83. EDN KZYGTZ
5. The impact of flow induced by rotating magnetic fields on processes in a molten conductive medium / R. I. Khalilov, A. D. Mamykin, R. S. Okatev, I. V. Kolesnichenko // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. 2023. № 3. P. 6–16. DOI: 10.17804/2410-9908.2023.3.006-016. EDN HHNSPI
6. Мелешко В. В., Краснопольская Т. С. Смешивание вязких жидкостей // Нелинейная динамика. 2005. Т. 1. № 1. С. 69–109. EDN KBXBEP
7. Сухарев Т. Ю. Численное моделирование процессов гидродинамического перемешивания: дис … канд. техн. наук. М.: [б. и.], 2019. 127 с. EDN YZMHQM
8. Physical study of the impact of injector design on mixing, convection and turbulence in ladle metallurgy / P. Gajjar [et al.] // Engineering Science and Technology. 2019. Vol. 22. № 2. P. 538–547. DOI: 10.1016/j.jestch.2018.11.010
9. Ивочкин Ю. П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … д-ра техн. наук. М.: [б. и.], 2015. 407 с.
10. Моделирование электромагнитных сил и электровихревых течений в установке «ковш-печь» / А. Л. Кухарев, М. И. Мокрицкий, С. А. Сбитнев, Т. В. Яковенко // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2024. № 5 (79). С. 49–55. EDN MQVUOE
11. Ottino J. M. The Kinematics of Mixing: Stretching, Chaos and Transport. Cambridge: Cambridge University Press, 1989. 363 p.
12. Optimisation of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction / H. Weltens [et al.] // SAE Technical Paper 930780. 1993. P. 131–151. DOI: 10.4271/930780
|
||||
| Полный текст |
|
||||