Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из важнейших задач, стоящих перед отраслью производства металлических, оксидных и высокочистых материалов является снижение энергоемкости технологических процессов и себестоимости качественных продуктов, что создает условия для интенсивного развития и совершенствования существующей технологии.
Качество материалов во многом определяется эффективностью процесса перемешивания расплава во время подготовки к отливке. Следствием недостаточного перемешивания расплава может стать неоднородность распределения легирующих добавок и температурного поля в объеме жидкости, невозможность протекания необходимых химических реакций, пористость материала и т.д. Однако чрезмерно повышенная интенсивность перемешивания приводит к изнашиванию тигля, нежелательной оксидации расплава. В связи с этим, важно управлять потоком для обеспечения равномерного распределения температуры и скорости в объеме жидкости. При обработке расплавов материалов, обладающих электрической проводимостью (расплавы металлов, оксидов металлов, стекол и т.д.), одним из наиболее перспективных решений является применение магнитогидродинамических (МГД) устройств. Однако, несмотря на многочисленные преимущества, современные методы ЭМ перемешивания характеризуются повышенной энергоемкостью и сложностью применяемого оборудования. Для устранения указанных недостатков остается актуальным поиск универсальных методов, простых в реализации и инструментальном исполнении, позволяющих обеспечить эффективное выравнивание температурного поля в расплаве без увеличения энергоемкости процесса и без ущерба качеству производимого материала. Интенсивно развивающимся направлением в этой области является применение импульсного воздействия электромагнитных (ЭМ) сил.
Степень научной разработанности проблемы. Исследованию влияния воздействия импульсных ЭМ сил на движение расплава посвящены работы таких ученых как: Л.Л. Тир, М.Я. Столов, Б. Михайлович, А. Капуста, Г. Брановер, В.Н. Тимофеев, А.Ф. Колесниченко, Дубоделов, А. Горшков, Н. Слажнев, С. Эккерт, Г. Гербет и др. В своих работах они отмечают наличие развитой турбулентности потока, способствующей интенсивному теплообмену, повышению средней скорости течения жидкости, а также выраженное влияние импульсного воздействия на конечную структуру материала.
В настоящей работе разработан и исследован метод интенсификации теплопере-носа (ТП) в расплаве за счет его эффективного перемешивания, в котором учтена периодическая природа потока, формируемого ЭМ полем; рассмотрено воздействие однофазного переменного ЭМ поля и воздействие импульсной силы Лоренца в диапазоне частот, который до настоящего момента изучен не был. Экспериментальная часть исследования проведена на базе лаборатории Института Электротехнологий Ганновер-
ского Университета им. Вильгельма Лейбница, в рамках реализации гранта Президента Российской Федерации для обучающихся за рубежом студентов и аспирантов в 2012/13, 2014/15 и 2016/17 учебных годах.
Цель работы – исследование влияния низкочастотной импульсной силы ЭМ поля на движение расплава и ТП в объеме жидкости; разработка метода интенсификации МГД и ТП процессов в индукционных МГД машинах.
Задачами исследования являлись:
-
Исследование условий протекания и методов интенсификации ТП в ИМГД установках, оценка эффективности данных методов.
-
Анализ структуры течения расплава в ИМГД оборудовании, выявление возможностей для повышения энергоэффективности процесса выравнивания температурного поля в объеме жидкости.
-
Разработка метода интенсификации МГД и ТП процессов в ИМГД оборудовании.
-
Построение адекватных математических моделей для описания ЭМ, МГД и ТП процессов, протекающих в ИМГД устройствах при приложении разработанного метода.
-
Проведение математического моделирования процесса движения и ТП в объеме проводящей жидкости при воздействии импульсной силы ЭМ поля, оценка его влияния в сравнении со стационарным воздействием силы.
-
Экспериментальная проверка результатов математического моделирования и эффективности разработанного метода.
-
Исследование эффективности приложения импульсных ЭМ сил к кристаллизующемуся металлу для интенсификации ТП в нем.
-
Разработка универсального алгоритма для поиска энергоэффективных режимов работы промышленного кристаллизатора с индукционным перемешиванием кристаллизующегося расплава.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
-
Разработан метод интенсификации движения и ТП в проводящей жидкости в ИМГД устройствах на основе МГД-резонанса, ведущего к повышению амплитуды пульсаций скорости потока, увеличению эффективного коэффициента теплопроводности расплава, критерия Нуссельта и критерия, отражающего интенсивность протекания конвективного теплопереноса, при отсутствии увеличения затрат энергии на проведение процесса.
-
Построены и верифицированы математические модели ЭМ, МГД и ТП процессов в индукционной тигельной печи для оценки влияния стационарного и импульсного воздействия электромагнитных сил на ТП.
-
На основе метода МГД-резонансного перемешивания проводящей жидкости обеспечена интенсификация МГД и ТП процессов в кристаллизующемся расплаве, что способствовало уменьшению размера металлического зерна кристаллизации.
-
Разработан универсальный алгоритм, позволяющий определить резонансную частоту импульсного воздействия, приводящую к повышению интенсивности движения жидкости, коэффициента эффективной теплопроводности и конвективного теплопере-носа в расплаве.
Теоретическая и практическая ценность работы состоит в том, что построены адекватные математические модели для исследования ЭМ, МГД процессов и вынужденного конвективного ТП в индукционной тигельной печи (ИТП); разработана схема модернизации промышленного кристаллизатора непрерывной разливки, обеспечивающая повышение эффективности его работы за счет интенсификации МГД и ТП процессов; получена положительная рецензия на заявление на патентование данной схемы в качестве полезной модели; разработан алгоритм расчета параметров однофазного переменного тока для создания МГД-резонанса в расплаве, обеспечивающего интенсификацию ТП за счет обеспечения турбулизированного течения и повышения эффективного коэффициента теплопроводности расплава в ИТП и в кристаллизаторе непрерывного литья; получена положительная рецензия на заявление на патентование разработанного способа воздействия в качестве изобретения. Ряд теоретических результатов внедрен в учебный процесс Ганноверского Университета им. Готфрида Вильгельма Лейбница в учебном курсе «МГД процессы», использованы в лекционных курсах «Тепломассообменные аппаратура и оборудование в энергетике» и «Явления переноса» для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника» ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет».
Методология и методы исследования: использованы общеизвестные законы гидро - и газодинамики, магнитной гидродинамики, законы электромагнетизма, тепломассообмена и термодинамики; физический эксперимент; методы сопоставления экспериментальных и теоретических данных; методы математического моделирования; методы металлографического анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Обоснованный и апробированный метод повышения интенсивности МГД и ТП процессов в ИМГД устройствах на основе МГД-резонанса.
-
Апробированные и верифицированные математические модели ЭМ, МГД и ТП процессов в ИТП, позволяющие оценить влияние непрерывного и импульсного приложения переменного ЭМ поля к расплаву на МГД и ТП процессы в нем.
-
Схема модернизации промышленного кристаллизатора непрерывного литья, обеспечивающая повышение интенсивности МГД и ТП процессов в кристаллизующемся расплаве.
-
Алгоритм, позволяющий численно определить МГД-резонансную частоту импульсного воздействия, приводящего к интенсификации МГД и ТП процессов в кристаллизаторе непрерывной разливки.
-
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования свободной и вынужденной конвекции в проводящей жидкости в непрерывно приложенном и импульсном переменном ЭМ поле.
-
Экспериментальное исследование процессов переноса импульса и энергии при кристаллизации металла в кристаллизаторе непрерывного литья.
Объект исследования – вынужденный конвективный теплоперенос в проводящей жидкости в переменном ЭМ поле.
Предмет исследования – ЭМ, гидродинамические и теплообменные процессы в ИМГД устройствах при импульсном воздействии силы ЭМ поля.
Достоверность результатов подтверждается физической непротеворечивостью, согласованностью численных и экспериментальных данных, использованием апробированных программных пакетов: Ansys, MathLab, а также использованием апробированных результатов других авторов для верификации математических моделей.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на VIII и IX международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2012 и 2013 гг.); X и XI Международных научных конференциях «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Алушта, 2012 и 2013 гг.); VII международном научном коллоквиуме «Моделирование электромагнитных процессов» (г. Ганновер, Германия, 2014 г.); VII и X международных конференциях «Фундаментальная и прикладная магнитная гидродинамика» (г. Рига, Латвия, 2014 г., г. Кальяри, Италия, 2016 г.) и др.
Личное участие автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, разработке математических моделей, экспериментальных установок. Автором проведено численное и экспериментальное исследование процессов, обработка и обобщение результатов, разработан метод повышения интенсивности МГД и ТП процессов.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 научные статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень рекомендуемых изданий ВАК МОиН РФ, 4 статьи, включенных в базу SCOPUS и 11 материалов докладов различных конференций и публикаций в других изданиях.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 193 станицах и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Работа включает в себя 67 рисунков, 16 таблиц. Список литературы содержит 166 источников.