Статья

Наименование	Эволюция азимутальных возмущений электровихревых течений расплава
Авторы	Кухарев А. Л., д. т. н., доц.
Раздел	Металлургия
Год	2026	Выпуск	86	Страницы	97 - 106
УДК	669.187.2			EDN	IIJQUZ
Аннотация	Представлены результаты численного исследования азимутальных возмущений электровихревых течений расплава в полусферической ванне установки с осесимметричными электродами. Проанализированы картины течений, эволюция энергии полоидальной и азимутальной компонент потока, а также влияние турбулентности на завихрение течений. Показано, что при принятых условиях моделирования первоначальная закрутка струи происходит за счет формирования вторичных вихрей и их взаимодействия с полоидальным течением в придонной области ванны. С ростом интенсивности полоидального течения азимутальные возмущения в горизонтальных сечениях ванны проявляются в виде ряда мелких вихрей и искривления траекторий радиальных потоков, при этом энергия азимутальной компоненты течения не превышает 8 % от значения полной кинетической энергии.
Реферат	Цель. Исследование изменения во времени структуры и характеристик азимутальных возмущений электровихревых течений расплава. Методика. Использованы результаты моделирования нестационарных электровихревых течений расплава в установке с осесимметричными электродами. Моделирование проводилось в пакете Star CCM+ при токе в электродах 250 А в интервале времени 0–100 с. Так как применялось электродинамическое приближение, при котором не учитывались влияние течения на электромагнитное поле и внешние электромагнитные поля, основное внимание в работе уделяется гидродинамическим механизмам формирования и усиления азимутальных возмущений в расплаве. Для оценки интенсивности азимутальных возмущений проведен анализ эволюции кинетической энергии азимутальной и полоидальной компонент течения. С использованием результатов дискретного вейвлет-разложения временного ряда сигнала скорости на частотные составляющие выполнен анализ влияния турбулентности на интенсивность азимутальных возмущений. Результаты. Выявлены три характерные стадии эволюции азимутальных возмущений электровихревых течений расплава. Первоначальная закрутка ЭВТ происходит за счет формирования в придонной области ванны вторичных вихрей и их взаимодействия с встречно направленным полоидальным течением в момент времени (~1,5 с), когда струя, движущаяся от области верхнего электрода, достигает нижней стенки ванны, при этом максимальное значение азимутальной скорости составляет 0,024 м/с. На второй стадии (1,5–20 с) происходит распределение азимутальных возмущений по объему расплава преимущественно за счет адвекции циркуляции азимутальной составляющей скорости полоидальным течением, сопровождаемое некоторым уменьшением максимальных значений азимутальных возмущений. На третьей стадии (25–100 с) зона максимальных азимутальных возмущений формируется в придонной части ванны. Максимальная скорость азимутальных течений на этой стадии достигает ~0,062 м/с (при t ≈ 70 с), что составляет ~34 % от величины модуля максимальной скорости расплава. Так как средняя по объему ванны энергия азимутальной компоненты течения не превышает 8 % от значения полной кинетической энергии, то азимутальные возмущения проявляются в горизонтальных сечениях, находящихся в средней по высоте части ванны, преимущественно в виде ряда мелких вихрей, а в горизонтальных сечениях, находящихся вблизи поверхности расплава и в придонной части ванны, — преимущественно в виде нарушения симметрии и искривления траектории радиальных потоков. Показано, что в области нижней стенки ванны значительные колебания энергии азимутальной компоненты течения обусловлены наличием перемежаемой турбулентности в этой области. Научная новизна. С использованием трехмерного математического моделирования получили дальнейшее развитие представления о гидродинамических механизмах формирования и усиления азимутальных возмущений и их интенсивности при эволюции электровихревых течений в полусферической ванне расплава установки с осесимметричными электродами. Подтверждено влияние адвекции циркуляции азимутальной составляющей скорости полоидальным течением при распределении азимутальных возмущений по объему расплава. Показано, что усиление азимутальных возмущений в придонной части ванны происходит за счет существенной турбулизации потока в этой области. Практическая значимость. Разработанная методика моделирования и анализа азимутальных возмущений электровихревых течений 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, азимутальная закрутка, кинетическая энергия.
Финансирование
Благодарности
Список источников	1. Куберский С. В. Совершенствование технологии перелива стали при непрерывной разливке для повышения ее качества, выхода годного и стабильности процесса // Металлург. 2026. № 1. С. 15–22. DOI: 10.52351/00260827_2026_1_15 EDN CITXTG 2. Развитие теории и технологии газодинамического рафинирования и гомогенизации жидкой стали в ковше / С. В. Куберский, Л. Е. Подлипенская, Р. В. Крестин, А. В. Шапка // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2025. № 10 (84). С. 45–54. EDN KIOXZG 3. Гольдштик М. А., Штерн В. Н., Яворский Н. И. Вязкие течения с парадоксальными свойствами. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. 336 с. 4. Ивочкин Ю. П. Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами: дис. … д-ра техн. наук. М.: [б. и.], 2015. 407 с. 5. Колесниченко И. В. Фундаментальные аспекты магнитной гидродинамики жидких металлов в области значений параметров, характерных для технологических приложений: дис. … д-ра физ.-мат. наук. Пермь: [б. и.], 2024. 345 с. 6. Маслов С. А. Роль электромагнитных механизмов в процессе формирования торнадо: дис. … канд. физ.-мат. наук. М.: [б. и.], 2024. 214 с. 7. Петрунин А. А., Штерн В. Н. Бифуркация полоидального поля в течении, вызванном радиальным электрическим током // Механика жидкости и газа. 1993. № 2. С. 4–11. 8. Мулляджанов Р. И., Яворский Н. И. Затопленная струя проводящей жидкости в присутствии магнитного поля // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2012. Т. 7. № 2. C. 25–38. EDN OZDJAN 9. Котельникова М. С., Луговцов Б. А. Спонтанная закрутка в МГД-течениях с круговыми линиями тока // Прикладная механика и техническая физика. 2009. Т. 50. № 2. С. 89–97. EDN JZCCBF 10. Луговцов Б. А. Об одном механизме возникновения торнадоподобных вихрей во вращающейся жидкости // Прикладная механика и техническая физика. 2002. Т. 43. № 2. С. 77–86. EDN OOAOCZ 11. The role of ekman pumping and the dominance of swirl in confined flows driven by lorentz forces / P. A. Davidson [et al.] // European Journal of Mechanics — B/Fluids. 1999. Vol. 18. P. 693–711. DOI: 10.1016/S0997-7546(99)00106-5 EDN XQPXXM 12. 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 13. Кухарев А. Л. О перемежаемости пульсаций скорости при электровихревых течениях расплава // Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве. 2026. № 11 (85). С. 35–44. EDN UQESRM 14. 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
Полный текст