Введение к работе
Аннотация. В работе исследуются МГД-процессы в плоских каналах с жидким металлом, обусловленные протеканием сильного электрического тока или воздействием на металл переменного магнитного поля нормального плоскости канала.
Для описания турбулентных течений в плоских слоях проводящей жидкости под действием электромагнитных сил создана математическая модель, основанная на приближенных двумерных уравнениях движения жидкости полученных путем редукции трехмерных уравнений гидродинамики в приближении тонкого слоя в предположении, что трение в основном определяется трением в ламинарном подслое у стенок. Адекватность математической модели подтверждается близостью результатов численных и лабораторных экспериментов.
Для описания электромагнитных сил, обусловленных взаимодействием электрического тока протекающего в слое, со своим магнитным полем или взаимодействием переменного магнитного поля, нормально направленного плоскости слоя, с индуцированным этим полем электрическим током, создана математическая модель, основанная на приближенных двумерных уравнениях. Уравнения получены путем редукции трехмерных уравнений электродинамики в низкочастотном приближении с использованием закона полного тока и введения функции, рассеяния магнитного поля, которая находится из решения отдельной задачи, конкретно, для каждого случая.
Исследуются механизмы генерации ЭВТ в плоских слоях проводящей жидкостей, применительно для МГД-каналов технологических устройств и ванн мощных алюминиевых электролизеров.
Предложена упрощенная математическая модель гидродинамических процессов в расплаве ванны алюминиевого электролизера, основанная на приближенных двумерных уравнениях движения в двух плоских слоях жидкости, расположенных один над другим.
Теоретически и на лабораторных моделях исследованы гидродинамические процессы в расплаве в ваннах мощных алюминиевых электролизеров.
Описаны механизмы нестабильности границы раздела: металл - электролит в этих ваннах, и даны рекомендации по улучшению работы электролизеров. Описываются, разработанные при участии автора, новые кондукционные МГД-устройства (насосы и перемешиватели), названные автором электровихревыми.
Проводится теоретическое и экспериментальное исследование, созданных для производства, МГД-насосов и МГД-перемешивателя. Приводятся результаты производственных испытаний.
Актуальность. Металлургическое производство оперирует с жидким металлом. В разнообразных технологических процессах его плавят, перемешивают, разливают, транспортируют, очищают от примеси. В настоящее время на производстве в основном пользуются традиционными методами: это различного рода механические устройства и разливочные ковши. При всей простоте используемых методов они имеют недостатки, главным из которых является большая доля ручного труда, наличие открытых поверхностей жидкого металла, что ведет к его загрязнению продуктами окисления, а также к загазованности атмосферы цеха, воздействию высоких температур на литейщиков и ухудшению условий труда. В связи с этим, весьма привлекательна идея бесконтактного метода воздействия на жидкий металл с помощью электромагнитных полей с целью управления его потоками (транспортировка, перемешивание и пр.), что позволит создать для металлургической промышленности новое оборудование и технологии.
В металлургии существуют технологические процессы и установки, в которых определяющую роль играет электрический ток большой силы, протекающий через объем жидкого металла. Электромагнитные силы, обусловленные взаимодействием электрического тока со своим магнитным полем и полем токоведущих элементов, генерируют в жидком металле электровихревые течения, которые существенно влияют на работу таких устройств.
Важным фактором в этих процессах является величина объемных электромагнитных сил, действующих на жидкий металл в канале. Для увеличения этих сил усиливают магнитное поле, применяя ферромагнитные сердечники, при этом для снижения габаритов магнитной системы уменьшают зазор между полюсами сердечников. По этой причине во многих МГД устройствах каналы плоские. В некоторых же случаях, таких, как некоторые схемы непрерывного литья стали или электролизное получение алюминия, плоский слой изначально является особенностью технологического процесса. Таким образом, неотъемлемой частью многих технологических МГД - процессов и устройств являются плоские слои и каналы с жидким металлом.
Простыми, надежными и недорогими являются устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии электрического тока со своим магнитным полем и устройства, использующие принцип взаимодействия переменного магнитного поля с индуцируемым им током.
Таким образом, исследования магнитогидродинамических явлений в плоских слоях и каналах с жидким металлом в технологических устройствах с целью понимания физических механизмов процесса помогут улучшить существующие технологические процессы, а так же создать новые конструкции МГД устройств управляющих потоками жидкого металла, что является актуальной задачей.
Целью работы являлось экспериментальное и теоретическое исследование магнитогидродинамических процессов в плоских слоях
и каналах с жидким металлом в различных технологических устройствах. Описание электромагнитных сил в жидком металле, обусловленных протеканием по нему сильного электрического тока или действием на металл переменного магнитного поля нормального к слою. Использование найденных закономерностей для создания новых конструкций МГД-устройств в металлургической промышленности.
Научная новизна работы
-
Разработана простая полуэмпирическая модель для описания турбулентного течения жидкого металла в плоских каналах технологических МГД-устройств под действием электромагнитных сил.
-
Разработана математическая модель для расчета электромагнитных сил в плоском МГД-канале с ферромагнитными сердечниками, генерируемых пропускаемым по каналу (с жидким металлом) электрическим током или переменным магнитным полем.
-
Показаны условия возникновения и особенности электровихревых течений в плоском слое проводящей жидкости.
-
Определены границы безындукционного приближения для электровихревых течений в плоском канале, помещенном в зазор между полюсами ферромагнитных сердечников.
-
Рассмотрены механизмы возникновения насосного эффекта в плоских МГД-каналах под действием электромагнитных сил, обусловленных протеканием по каналу постоянного или переменного электрического тока.
-
Рассмотрен электровихревой механизм генерации циркуляционных течений в плоском слое расплава алюминия и электролита в ванне мощного алюминиевого электролизера. Показана зависимость интенсивности циркуляции от геометрии ванны и анодного массива. Проведены эксперименты на физической модели электролизера.
-
Описаны «токовый» и «вихревой» механизмы нестабильности границы раздела (жидкий алюминий-электролит) в ванне электролизера.
-
Предложены новые ванны и схемы ошиновки электролизера. Новизна конструктивных решений подтверждена авторским свидетельством СССР.
-
Предложена простая полуэмпирическая модель для описания течений расплава в ванне мощного алюминиевого электролизера.
-
Разработаны конструкции принципиально новых МГД-насосов и перемешивателей, предназначенных для использования в металлургическом производстве. Созданы простые в эксплуатации и изготовлении погружные насосы и насосы наружного расположения для перекачивания жидкого магния. Новизна конструктивных решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентами (12 патентов и авторских свидетельств).
Практическая значимость работы:
-
Разработана простая математическая модель описания реальных электровихревых течений жидкого металла в плоских каналах, а так же течений, обусловленных воздействием переменного магнитного поля нормального слою металла, позволяющая производить расчеты рабочих характеристик плоских каналов при проектировании различного рода МГД-устройств новых конструкций.
-
Разработана простая математическая модель позволяющая проводить расчеты гидродинамических процессов в ванне мощных электролизеров для производства алюминия с целью совершенствования их конструкции. При помощи физических и численных экспериментов исследованы гидродинамические явления в ванне электролизера. Даны практические рекомендации по совершенствованию процесса электролиза. Предложена новая конструкция электролизера (имеется авторское свидетельство СССР). Экономический эффект от разработок составил в ценах 1988 года 131 400 рублей.
-
Предложен новый тип безобмоточных МГД-насосов (электровихревые насосы). Предложены, разработаны, изготовлены и прошли испытания в литейном цеху ОАО АВИСМА и Соликамского магниевого завода новые конструкции электровихревых насосов для жидкого магния. На конструкции насосов имеются Российские патенты.
-
Предложена новая конструкция индукционного МГД-насоса (имеется патент РФ).
-
Предложены новые конструкции электровихревых и магнитовихревых перемешивателей жидких металлов для технологий металлургического производства. На конструкции перемешивателей есть Авторские свидетельства СССР. Экономический эффект от разработок составил в ценах 1984 года 100 000 рублей.
-
Разработанный и изготовленный под руководством автора индукционный насос бегущего поля используется в Отделе магнитной гидродинамики Исследовательского центра в Россендорфе (Германия).
-
Разработанные и изготовленные под руководством автора МГД-перемешиватели для цилиндрических объемов жидкого металла (имеется Российский патент) используются в Отделе магнитной гидродинамики Исследовательского центра г. Россендорф (Германия) и в фирме Сидаут г. Валодолит (Испания), во Всероссийском алюминево магниевом институте, на Каменск-Уральском металлургическом заводе [Приложение 12,13].
Защищаемые положения
1. Полуэмпирическая математическая модель для описания турбулентного течения жидкого металла в плоских каналах технологических МГД-устройств под действием электромагнитных сил.
2. Математическая модель для расчета электромагнитных сил (в плоском МГД-канале с ферромагнитными сердечниками), генерируемых пропускаемым по каналу (с жидким металлом) электрическим током или переменным магнитным полем нормальным плоскости канала.
3. Условия возникновения электровихревых течений в плоском слое проводящей жидкости.
4. Условия применимости безындукционного приближения для электровихревых течений в плоском канале, помещенном в зазор между плюсами ферромагнитных сердечников.
5. Электровихревой механизм генерации циркуляционных течений в плоском слое расплава алюминия и электролита в ванне мощного алюминиевого электролизера. Зависимость интенсивности циркуляции от геометрии ванны и анодного массива. Результаты экспериментов на физической модели электролизера.
6. «Токовый» и «вихревой» механизмы нестабильности границы раздела (жидкий алюминий-электролит) в ванне электролизера.
-
Полуэмпирическая модель для описания течений расплава в ванне мощного алюминиевого электролизера.
-
Конструкции принципиально новых МГД-насосов и перемешивателей предназначенных для использования в металлургическом производстве. Простые в эксплуатации и изготовлении погружные насосы и насосы наружного расположения для перекачивания жидкого магния.
Диссертация состоит из 7 разделов, заключения, приложения и списка цитируемой литературы (260 наименования). В разделы входят введение и шесть глав. Диссертация изложена на 372 страницах и содержит 320 рисунков и 13 таблиц.
Похожие диссертации на Многоточечные приближения высших порядков стохастической краевой задачи упругости композитов со случайной структурой
