Статья

Наименование	Статистические характеристики пульсаций скорости при электровихревых течениях расплава
Авторы	Кухарев А. Л., д. т. н., доц.
Раздел	Металлургия
Год	2025	Выпуск	83	Страницы	39 - 48
УДК	669.187.2			EDN	IVGZDO
Аннотация	Приведены LES-модель и результаты численных исследований нестационарных электровихревых течений в полусферической ванне расплава установки с осесимметричными электродами. Выявлены три характерные стадии эволюции течения, определяемые значениями средней и пульсационной компонент скорости. Проанализированы статистические моменты пульсаций скорости и турбулентной кинетической энергии, а также графики плотности распределения вероятности. Показано, что в отличие от остальной части расплава в области нижней стенки ванны наблюдается более сильная турбулентность, сопровождаемая мелкомасштабными вихрями и характеризующаяся существенным отличием статистики пульсаций от Гауссовской, что предполагает неоднородный и анизотропный характер турбулентности в этой области. С использованием автокорреляционных функций определены основные временные и пространственные масштабы турбулентности.
Реферат	Цель. Статистический анализ результатов моделирования пульсаций скорости и турбулентной кинетической энергии в ванне расплава и анализ основных масштабов турбулентности. Методика. Использована модель нестационарных гидродинамических процессов, построенная на основе метода крупных вихрей, для исследования пульсаций скорости и турбулентной кинетической энергии при электровихревых течениях расплава в установке с осесимметричными электродами. Моделирование проводилось в пакете Star CCM+ при токе в электродах 250 А. Статистический анализ результатов моделирования включал расчет интенсивности пульсаций, коэффициентов асимметрии и эксцесса, а также плотности распределения вероятности пульсационной компоненты скорости и проводился в пакете Matlab. С использованием автокорреляционных функций, а также значений турбулентной кинетической энергии и скорости ее диссипации определены основные временные и пространственные масштабы турбулентности. Результаты. Выявлены три характерные стадии эволюции течения. На первой и второй стадиях происходят рост и стабилизация скорости с формированием когерентных вихревых структур. Интенсивные пульсации скорости и ТКЭ возникают на третьей стадии спустя ~21 с после приложения электромагнитных сил и сопровождаются появлением мелкомасштабных вихрей, а также нарушением симметрии течения. Выявлено, что наиболее интенсивные пульсации скорости возникают в области нижней стенки ванны, при этом статистика пульсаций существенно отличается от Гауссовской, что может свидетельствовать о неоднородном и анизотропном характере турбулентности в этой области. Интенсивность пульсаций ТКЭ, а также коэффициенты асимметрии и эксцесса более чем в 2 раза превосходят аналогичные значения для пульсаций скорости. Показано, что период основных низкочастотных пульсаций скорости составляет ~11 с, а высокочастотных — ~1 с. Размеры мелких вихрей с масштабами более колмогоровских составляют 0,1-2 мм. Научная новизна. С использованием трехмерного математического моделирования получили дальнейшее развитие представления о закономерностях турбулентных электровихревых течений в полусферической ванне расплава установки с осесимметричными электродами. Показано, что при принятых условиях моделирования спустя ~21 с после приложения электромагнитных сил происходит быстрый переход из достаточно устойчивой стадии формирования когерентных вихревых структур в стадию интенсивных пульсаций скорости. При соударении струи, формирующейся электромагнитными силами вдоль оси ванны, с нижней ее стенкой происходит существенная турбулизация потока, сопровождающаяся локальными вихрями характерного масштаба 0,1-2 мм, нарушением симметрии течения, неоднородным и анизотропным характером турбулентности. Практическая значимость. Разработанная методика моделирования и анализа показателей турбулентности может использоваться при исследовании гидродинамических процессов в расплавах плавильных агрегатов и рудовосстановительных печей, а также агрегатов для внепечной обработки и разливки.
Ключевые слова	расплав, электровихревое течение, турбулентность, статистика пульсаций, моделирование.
Финансирование
Список источников	1. Куберский С. В. Расширение функциональных возможностей промежуточного ковша МНЛЗ для условий металлургических микро-заводов / Сборник научных трудов ДонГТУ. 2017. Вып. 6 (49). С. 57–65. EDN ZWJPRV 2. Определение энергетических параметров электромагнитного перемешивания стали в промежуточных ковшах / С. В. Куберский [и др.] // Пути совершенствования технологических процессов и оборудования промышленного производства: сб. тез. докл. VIII междунар.науч.-тех. конф. (23–24 октября 2024 г.) / под общ. ред. В. Н. Сиидова. Алчевск: ФГБОУ ВО «ДонГТУ», 2024. С. 87–91. EDN HYFGXQ 3. Ивочкин Ю. П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … д-ра техн. наук. М.: [б. и.], 2015. 407 с. 4. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 368 с. 5. Кухарев А. Л. Моделирование процессов перемешивания при электровихревых течениях расплава // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 8 (82). С. 27–35. EDN JMUNFJ 6. Influence of pulsed modes of a magnetic field on an electric vortex flow / D. A. Vinogradov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2088. Article 012050. EDN YWVYSG 7. Kirpo M. Modeling of Turbulence Properties and Particle Transport in Recirculated Flows: thesis … doctor of philosophy (physics). Riga, 2008. 196 p. 8. Полуянов А. О., Колесниченко И. В. Пульсации течения жидкого металла, генерируемые переменным магнитным полем // Вычислительная механика сплошных сред. 2024. Т. 17. № 1. С. 24–32. DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.1.3 EDN RZZTDB 9. О вкладе волн неустойчивости в перемежаемость пульсаций скорости турбулентной струи / М. А. Юдин, В. Ф. Копьев, С. А. Чернышев, Г. А. Фараносов // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022. T. 506. № 1. С. 31–38. DOI: 10.31857/S2686740022050133 EDN LQFVST 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. Генин Л. Г., Свиридов В. Г. Введение в статистическую теорию турбулентности. М.: Издательский дом МЭИ, 2016. 154 с.
Полный текст