Статья
| Наименование | Частотные характеристики пульсаций скорости при электровихревых течениях расплава | ||||
| Авторы |
|
||||
| Раздел | Металлургия | ||||
| Год | 2025 | Выпуск | 84 | Страницы | 55 - 62 |
| УДК | 669.187.2 | EDN | KIQYMQ | ||
| Аннотация | Рассмотрена задача спектрального анализа результатов нестационарного моделирования электровихревых течений расплава в полусферической ванне установки с осесимметричными электродами. Рассчитаны и проанализированы Фурье- и вейвлет-спектрограммы пульсаций скорости. Выделены частота, соответствующая времени оборота крупномасштабного вихря в ванне, частота, связанная с колебаниями этого вихря, и частоты, соответствующие вихрям меньших масштабов. | ||||
| Реферат | Цель. Спектральный анализ результатов моделирования пульсаций скорости в ванне расплава.
Методика. Проведен спектральный анализ результатов нестационарного моделирования электровихревых течений расплава и рассчитаны частотные характеристики пульсаций скорости в полусферической ванне установки с осесимметричными электродами при токе в электродах 250 А. При использовании Фурье-преобразования рассчитывалась зависимость спектральной плотности мощности от частоты. При использовании вейвлет-преобразования вычислялась матрица вейвлет-коэффициентов в частотно-временной области. Расчеты и построение спектрограмм выполнены в пакете Matlab. Результаты. На основе анализа Фурье-спектрограмм подтверждены выводы, полученные ранее при анализе статистических характеристик о том, что вблизи нижней стенки ванны наблюдается более сильная турбулентность и меньшая скорость рассеивания энергии, по сравнению с центральной областью ванны, и вблизи поверхности расплава турбулентная кинетическая энергия затухает быстрее, чем в центре вихря. Выделены частота, соответствующая времени оборота крупномасштабного вихря в ванне (~0,1 Гц), и частота, связанная с колебаниями этого вихря (~0,013 Гц). Частоты 0,19 Гц, 0,28 Гц, 0,39 Гц, 0,67 Гц соответствуют вихрям меньших масштабов. На основе анализа вейвлет-спектрограмм выявлены изменения во времени значений характерных частот, а также нестабильные периоды, связанные с резкими флуктуациями амплитуды скорости. Научная новизна. С использованием спектрального анализа получили дальнейшее развитие представления о закономерностях турбулентных электровихревых течений в полусферической ванне расплава установки с осесимметричными электродами. В спектрах временных пульсаций скорости обнаружены низкочастотные колебания, частота которых более чем в шесть раз меньше частоты оборота крупномасштабного вихря. Показано, что турбулентность, возникающая при соударении струи, формирующейся электромагнитными силами вдоль оси ванны, с нижней ее стенкой, интерпретируется на спектрограммах высокими значениями спектральной плотности мощности и вейвлет-коэффициентов, большой изменчивостью во времени значений характерных частот и меньшей крутизной спектра в инерционном интервале. Практическая значимость. Разработанная методика 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, спектральный анализ. | ||||
| Финансирование | |||||
| Список источников |
1. Шаклеин А. А., Карпов А. И., Альес М. Ю. Спектральный анализ вихреразрешающих моделей турбулентности // Химическая физика и мезоскопия. 2018. № 1. С. 49–56. EDN SIYEDF
2. 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
3. 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
4. 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
5. Кухарев А. Л. Статистические характеристики пульсаций скорости при электровихревых течениях расплава // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 9 (83). С. 39–48. EDN IVGZDO
6. Ивочкин Ю. П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … д-ра техн. наук. М.: [б. и.], 2015. 407 с.
7. 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
8. Фрик П. Г. Обработка и анализ сигналов и изображений в физических экспериментах. Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2023. 115 с.
9. An open source package to perform basic and advanced statistical analysis of turbulence data and other complex systems / A. Fuchs [et al.] // Physics of fluids. 2022. Vol. 34. № 10. Art. 101801. DOI: 10.1063/5.0107974 EDN JESHGY
10. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Моделирование крупных вихрей в расчетах турбулентных течений. М.: Физматлит, 2008. 368 с.
11. Теодорович Э. В. Метод ренормализационной группы в задаче о вычислении спектральной плотности энергии турбулизованной жидкости // Доклады Академии наук. 2018. Т. 479. № 1. C. 29–31. EDN YSJGJI
12. Kirpo M. Modeling of Turbulence Properties and Particle Transport in Recirculated Flows: thesis … doctor of philosophy (physics). Riga, 2008. 196 p.
13. Лосев Г. Л., Халилов Р. И., Колесниченко И. В. Экспериментальное исследование характеристик течения жидкого металла, вызванного переменным магнитным полем // Вестник Пермского университета. Физика. 2017. № 4 (38). С. 11–18. DOI: 10.17072/1994-3598-2017-4-11-18 EDN ZXNXMX
14. Shvydkiy E, Baake E, Köppen D. Liquid Metal Flow Under Traveling Magnetic Field-Solidification Simulation and Pulsating Flow Analysis. Metals. 2020. Vol. 10. Art. 532. DOI: 10.3390/met10040532 EDN MXTGGT
|
||||
| Полный текст |
|
||||