Введение к работе
Актуальность темы. Важность влияния гидродинамических процессов происходящих в формирующемся стальном слитке установки непрерывной разливки стали (УНРС) отмечалась в работах А.Д. Акименко, Е.М. Китаева, В.И. Дождикова, В.М. Паршина, М.Я. Бровмана, Н.И. Шестакова, Д.А. Дюдкина, Л.Н. Сорокина, В.И. Лебедева, А.Л. Кузьминова, А.Н. Шичкова и др. Течение расплава влияет на температурное поле внутри заготовки, а значит на макро и микроструктуру конечного продукта, вместе с этим поток расплава оказывает еще один вид влияния – перемешивание жидкой фазы слитка. Исследования этого вопроса имеются в работах В.В. Стулова, В.Н. Гущина, А.Г. Кузьменко, В.Г. Грачева и др.
В ходе работ по исследованию новых способов подвода стали в УНРС профессором В.В. Стуловым предложен способ перемешивания, имеющий ряд практически важных достоинств. Способ перемешивания расплава заключается в применении разливочного стакана специальной конструкции. В ходе работы по математическому моделированию процессов происходящих в кристаллизаторе УНРС В.В. Стуловым было предложено аналитическое решение задачи течения идеальной жидкости в двухмерном случае. Результаты диссертации дополняют эти исследования численными решениями трехмерной задачи с использованием более точной математической модели процесса.
Поведение расплава при разливке стали в УНРС обычно описывается уравнениями Навье-Стокса и переноса тепла, которые решаются универсальными численными методами. Использование этих моделей на практике требует значительных затрат машинного времени. Сложность решения данных задач отмечалась в работах Ю.А. Самойловича, З.К. Кабакова и др.
Целью работы является построение математических моделей, описывающих гидродинамические процессы и процессы тепломассопереноса в кристаллизаторе УНРС при использовании традиционных и новых предложенных способов подвода стали в кристаллизатор, а также обоснование полезности применения стакана с эксцентрично расположенными выходными отверстиями по сравнению со стаканом обычного типа при разливке слябовых заготовок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– разработана новая пространственная математическая модель процесса разливки стали в УНРС, использующая уравнения Навье-Стокса и уравнение теплопроводности для движущейся среды при определении полей скоростей и температуры;
– разработана методика и спроектирована установка для физического моделирования гидродинамики в кристаллизаторе УНРС;
– получены новые экспериментальные результаты физического моделирования процесса разливки стали в УНРС при использовании различных типов разливочных стаканов;
– получены результаты численных расчетов полей скоростей и температур в кристаллизаторе при использовании различных типов разливочных стаканов.
Достоверность полученных результатов основана на использовании фундаментальных уравнений механики сплошных сред, уравнений математической физики, апробированного численного метода и экспериментальных данных, полученных при разливке стали на слябовой УНРС.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, полученные в диссертации, использованы в ходе проектирования устройства подвода стали в УНРС. Разработанная математическая модель позволила теоретически обосновать полезность разливочного стакана с эксцентрично расположенными выходными отверстиями, а также может применяться для анализа задач течения расплава в кристаллизаторах различного типа. Разработан и зарегистрирован программный код, который может быть использован в инженерных или научных целях.
Методология и методы исследования. Методологической и теоретической основой работы являются методы вычислительной математики, статистической обработки результатов измерений, приемы математического моделирования, подходы и методы исследований, применяемые физическом моделировании. В качестве программного обеспечения использовались интегрированная среда разработки приложений Visual Fortran и программный комплекс Microsoft Excel.
Положения выносимые на защиту:
– новая пространственная математическая модель процесса разливки стали в УНРС;
– новые экспериментальные результаты физического моделирования процесса разливки стали в УНРС при использовании различных типов разливочных стаканов;
– результаты численных расчетов полей скоростей и температур в кристаллизаторе при использовании различных типов разливочных стаканов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
– XXXV Дальневосточная математическая школа-семинар имени академика Е.В.Золотова. – Владивосток, 31 августа - 5 сентября 2010 г.
– Первая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в машиностроении». – Комсомольск-на-Амуре, 17 сентября 2010 г.
– Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы». – Комсомольск-на-Амуре, 26-28 октября 2010 г.
– Первая Дальневосточная междисциплинарная молодежная научная конференция «Современные методы научных исследований». Владивосток, 8-12 сентября 2011 г.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах 1-2], а также ряд статей в сборниках, трудах конференций, прочих журналах и сборниках тезисов докладов [-]. Кроме того, получен патент РФ на изобретение 14] и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [15].
Личный вклад автора. Работы , 1] выполнены лично автором. В работах -, -13] автор разработал численные схемы и алгоритмы решения, провел все необходимые расчеты и выполнил анализ полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (79 наименований) и приложений. Общий объем работы – 128 страниц, в том числе 29 рисунков и 4 таблицы, включенных в текст.
