Введение к работе
Актуальность работы. Важной задачей при отливке стальных высококачественных заготовок, отливаемых на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является перемешивание их жидкой сердцевины в процессе кристаллизации. Интенсификация перемешивания позволяет улучшить физические свойства заготовок, осреднить химсостав легирующих добавок по сечению слитка, интенсифицировать тепломассообмен между коркой слитка и жидкой фазой, улучшить растворение модифицирующих добавок, повысить скорость вытягивания слитка.
Наиболее перспективным и малозатратным направлением при исследовании и проектировании электротехнических и электротехнологических устройств является использование методов математического моделирования. При таком подходе для индукционного устройства составляется математическая модель, способная воспроизводить характеристики реальной системы и позволяющая в явном виде находить интересующие параметры исследуемых устройств.
Наиболее полную картину физических процессов в электромагнитной системе индукционных устройств можно получить на основе численного решения краевых задач, которая позволяет получить достоверную информацию об исследуемых процессах с учетом реальной геометрии, нелинейности, анизотропии магнитопровода и т.п. Большой вклад в развитие численных методов внесли учёные: В.В. Шайдуров, Б.С. Добронец, Н.Я Демиденко, В.Д. Кошур, Е.А. Новиков и др. Численному анализу электромагнитных полей (ЭМП) индукционных устройств посвящены работы К.С. Демирчяна, В.Л. Чечурина, О.В. То-зони, П.А. Курбатова, Ф.Н. Сарапулова, В.Н. Тимофеева и других авторов.
Вместе с тем, основная трудность при исследовании специальных индукционных устройств заключается в особенностях адаптации и совершенствовании математических моделей на основе существующих методов, которые позволили бы улучшить точность решения задач, ускорить итерационный процесс, уменьшить используемые компьютерные ресурсы. Это предопределяет развитие методов математического моделирования и разработку математических моделей, ориентированных для расчета индукционных устройств электромагнитного воздействия на жидкую сердцевину непрерывно литого слитка.
Объект исследования — математические методы моделирования электромагнитных процессов в индукционных устройствах для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины непрерывно литого стального слитка.
Предмет исследования - область применения метода интегральных преобразований Г.А. Гринберга к расчёту многофазных индукционных устройств. Моделирование индукционных устройств методом дискретизации свойств сред с разделением переменных в трёхмерной постановке и его характеристики. Целью диссертационной работы является развитие методов интегральных преобразований Г.А. Гринберга и дискретизации свойств сред с разделением переменных, и разработка на их основе математических моделей индукционных устройств для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины непрерывно литого стального гірпіііі/іічуржпщит гттды с явновыраженными
РШ "" ''НАЛЬНАЯІ 1> ., , .«.ТЕКА
анизатропными и жидкометаллическими свойствами.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ методов математического моделирования индукционных устройств для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины стальных слитков и выявить особенности влияния технических и технологических аспектов устройств на построение математических моделей.
-
Адаптировать метод Г.А Гринберга к анализу электромагнитных процессов в индукционных системах «индуктор - электропроводное тело» и разработать на его основе математическую модель предназначенную для описания физических процессов в подобного рода устройствах, для расчета многофазных систем.
-
Развить метод дискретизации свойств сред с разделением переменных и разработать на его основе математические модели для анализа трехмерного электромагнитного поля индукционных устройств с анизотропными и движущимися средами, а так же определить влияние конструктивных особенностей устройств на характеристики метода.
-
Провести моделирование электромагнитных полей, дифференциальных и интегральных характеристик специальных линейных индукционных машин и электромагнитных вращателей на опытно-экспериментальной физической модели.
-
Подтвердить адекватность математических моделей путем сравнения результатов численного моделирования с данными натурного эксперимента на физической модели.
Методы исследования. Математическое моделирование осуществлялось методом интегральных преобразований Г.А. Гринберга и численным методом дискретизации свойств сред, применительно к анализу электромагнитных полей с использованием современной вычислительной математики. Использовался метод конечных элементов, реализованный в коммерческо-прикладном пакете ELCUT-4.2. Экспериментальные исследования проведены на опытно-экспериментальной физической модели.
Основные результаты: 1 Разработана математическая модель на основе метода интегральных преобразований Г.А. Гринберга для анализа интегральных и дифференциальных параметров многофазных индукционных машин электротехнологического назначения.
-
Развит метод дискретизации свойств сред с разделением переменных для построения трехмерных математических моделей электротехнических устройств с учётом анизотропии ферромагнитных материалов и движущихся сред.
-
В результате математического моделирования дифференциальных и интегральных параметров индукционных устройств для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины непрерывно литого стального слитка получены характеристики электромагнитного вращателя и индукционного пере-мешивателя для создания экспериментальной установки.
4. Получены данные с натурного эксперимента на опытно-экспериментальной установке индукционных перемешивателей жидкой сердцевины стального слитка которые подтвердили и уточнили характеристики полученные расчётным путём.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
На основе метода интегральных преобразований Г.А. Гринберга теоретически обоснована математическая модель для расчета дифференциальных и интегральных параметров многофазных индукционных устройств.
-
Разработаны трехмерные математические модели на основе метода дискретизации свойств сред для расчета электромагнитных параметров индукционных устройств электромагнитного воздействия на жидкую сердцевину стального слитка позволяющих учесть анизотропию магнитной системы и движение жидкометаллического рабочего тела.
-
Выявлены зависимости дифференциальных и интегральных электромагнитных характеристик специальных индукционных устройств, для электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины непрерывно литого стального слитка, от их конструктивных особенностей и режимов работы, играющие важную роль в разработке их промышленных образцов.
Значение для теории:
Адаптирован метод интегральных преобразований Г.А. Гринберга применительно к построению обобщённой математической модели для расчета и анализа электромагнитного поля многофазных индукционных устройств.
Развит метод дискретизации свойств сред с разделением переменных и разработаны на его основе многомерные модели анализа электромагнитного поля индукционных устройств.
Значение для практики:
На основе разработанных алгоритмов и программ для исследования электромагнитных процессов получены интегральные и дифференциальные параметры для проектирования индукционных устройств электромагнитного перемешивания жидкой сердцевины непрерывно литого стального слитка.
Предложены специальные конструкции индукционных машин, позволяющие значительно улучшить параметры производства непрерывно литых стальных слитков.
Достоверность полученных результатов оценивалась путем сравнения результатов вычислительного эксперимента с использованием разработанных математических моделей с результатами натурного эксперимента на опытно-экспериментальной установке, а так же с результатами полученными при использовании программного комплекса ELCUT-4.2 и показала погрешность приемлемую для инженерных расчётов.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты выполнении в рамках НИОКР кафедры «Электротехнология и Электротехника», как по заказу предприятий и организаций, так и в рамках научно-технических программ и госбюджетных тем. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО «НПЦ Магнитной гидродинамики», ОАО «КМК Си-бэлектросталь», а так же использованы в учебном процессе студентов специ-
альности 180500 - «Электротехнологические установки и системы». Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 2000, 2001 гг.); Международной научно-технической конференции «Электротехнологии 21 века» (С-Петербург, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2001 г.); Международной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электрические системы» (Польша, 2001 г.); Международной конференции «Фундаментальная и прикладная магнитная гидродинамика» (Франция, 2002 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях, из них 1 статьях в издании по списку ВАК, 3 рукописи депонированные в ВИНИТИ и 8 докладов, опубликованных в международных сборниках и материалах конференций.
Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве состоит в постановке задач повышения эффективности электротехнологического оборудования, в развитии метода интегральных преобразований Г.А. Гринберга и метода дискретизации свойств сред с разделением переменных, разработке алгоритмов и программ, проведении вычислительных экспериментов, участии в экспериментальных исследованиях.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 93 страницах текста, иллюстрированного таблицами и рисунками на 31 страницах. Список использованных источников включает 124 наименований на 14 страницах. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами по каждому из них, заключения, списка используемых источников и приложений из двух актов.
