Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 5

6. Схемы экспериментальных установок ИФ АН Латв. ССР. (а) – установка напостоянном токе с двумя электродами. 1, 2 – малый d = 12 мм и большой D = 60 ммэлектроды; 3 – волоконно-оптический датчик скорости. L = var. (б) – установка стрехфазным токоподводом. Диаметр × глубина ванны – 130 × 32 мм; d = 30 мм; 1 –электроды; 2 – волоконно-оптический датчик скорости.Помимо установок, работающих на постоянном токе, в опытах такжеиспользовались ванны, предназначенные для исследования ЭВТ притрехфазном (50 Гц) токоподводе. Конструкция с тремя электродами показанана рис.

6б. Медные равноудаленные друг от друга электроды были заделанызаподлицо в торцевой стенке рабочего участка – цилиндра, изготовленного изоргстекла и заполненного ртутью. Волоконно-оптический преобразовательбыл размещен таким образом, чтобы имелась возможность измерять zкомпоненту вектора скорости в любой точке осевого вертикального сечения.При проведении опытов на описанных выше установках использоваласьаналоговая схема измерения и обработки выходного сигнала с волоконнооптического датчика скорости.

Рабочий диапазон изменения силыпостоянного электрического тока составлял 100 ≤ I ≤ 1500 A. Экспериментыс трехфазным электропитанием выполнены при I = 490 А.После распада СССР и прекращения нашего активного научногосотрудничества с коллегами из Латвии в ОИВТ РАН с целью продолженияизучения структуры электровихревых течений был создан специальныйэкспериментальный стенд, схематичное изображение которого представленона рис. 7.Рабочий участок, на котором были проведены основные исследования,представлял собой медный полусферический контейнер 4, заполненный17эвтектическим сплавом индий – галлий - олово 5, с содержанием по весу In –67%, Ga – 20.5%, Sn – 12.5% (температура плавления сплава составляет+10.50С). В центре свободной поверхности жидкого металла размещалсямалый электрод 7, представляющий собой медный или стальной стержень сполусферическим торцом, диаметр которого варьировался в диапазоне 1 ÷10 мм.

Электрод погружен в расплав на глубину своего радиуса. Вторымэлектродом является полусферический контейнер диаметром 188 мм.Рис. 7. Схема экспериментальной установки. 1 – соленоид; 2 – охлаждающая ванна; 3 –теплообменник; 4 – медный контейнер (большой электрод); 5 – эвтектический сплав InGa-Sn; 6 – термопарный зонд; 7 – малый электрод; 8 – токоподвод; 9 – термопары; 10 –волоконно-оптический датчик скорости; 11 – усилитель сигнала; 12 – аналого-цифровойпреобразователь; 13 – компьютер 14; – система охлаждения источника тока; 15 – источниктока.Для электропитания установки использовались либо генераторпостоянного тока, с максимальным значением силы электрического тока I ~300 A, либо источник 15, разработанный на основе трехфазного выпрямителяпеременного тока (I ≤ 1000А).

Стабильность работы диодов источника токаобеспечивалась с помощью водяной системы охлаждения 14. Для измеренийтемпературы малого и большого электродов, а также температурного поля врасплаве использовались термопары (тип медь-константан) 9 и специальныйтемпературный зонд 6. Исследование полей скорости осуществлялосьволоконно-оптическим преобразователем 10.

Сигналы с датчиковтемпературы и скорости поступали последовательно в усилитель 11 ианалого-цифровой преобразователь 12, установленный в компьютере 13.Внешнее магнитное поле создавалось соленоидом 1, электрическое питаниекоторого осуществлялось от управляемого источника постоянного тока.Заморозка расплава в опытах по его плавлению происходила при помощиспециальной охлаждающей жидкости (полиметилсилоксан ПМС-5), текущейв теплообменнике 3. В большинстве экспериментов, кроме особо18оговоренных условий, изгибы токоподводящих проводов и технические узлыиз магнитных материалов располагались на достаточном удалении отрабочего участка, чтобы в области его расположения внешнее магнитноеполе было по возможности минимальным и однородным.В главе 2.3 также рассмотрены методические вопросы, связанные сразличными способами калибровки датчиков скорости, воздействиемзагрязнений на распределение электрического потенциала и влиянием«шагового» напряжения на показания термопар, размещенных в токонесущейжидкости.

Отдельный подраздел главы посвящен описанию методикичисленных исследований.Математическое моделирование электровихревого течения быловыполнено в электродинамическом (безындукционном) приближении длянесжимаемой электропроводящей жидкости и основано на решенииуравнения Навье - Стокса (2), описывающего гидродинамикуэлектровихревого течения с электромагнитной силой ⃗ = ⃗ × ⃗ в качествеисточника.⃗+ ⃗∇ ⃗ = −∇ + ∆ ⃗ + ⃗ + ⃗ + ⃗ .(2)Здесь, ⃗ – скорость, t – время, p – давление, ⃗ – ускорение свободногопадения, ρ – плотность, ν – вязкость, ⃗ – выражение для стока импульса (прирешении задачи плавления), ⃗ – плотность тока, ⃗ – индукция магнитногополя (МП).Расчетная область представляла собой полусферический контейнер,заполненный жидким металлом, эвтектическим сплавом In – Ga - Sn.

Наповерхности жидкого металла задавались условия либо твердой стенки, либосвободной границы.Магнитное поле в токонесущей жидкости определялось либо, где этовозможно, по известным аналитическим выражениям, либо численнымспособом с помощью оригинального метода, основанного на законе БиоСавара-Лапласа (3):⃗⃗⃗ ⃗ = ∭ ⃗×.(3)⃗⃗Здесь ⃗ – радиус-вектор координаты, в которой определяется магнитноеполе, ⃗ – текущая точка элемента объёма, V – объем, в котором протекаетток, μ0 – магнитная постоянная. Разработанный метод позволяет проводитьрасчет магнитного поля на нерегулярных сетках для двух- и трехмернойрасчетной области произвольной формы. Распределение плотности тока приэтом находится из решения уравнения Лапласа для электрическогопотенциала Φ:∇(σ∇Φ) = 0, ⃗ = −σ∇Φ, при заданных значениях напряженияна электродах.

Внешнее магнитное поле учитывалось посредствомдобавления соответствующих слагаемых в выражение для МП,генерируемого рабочим током.19В задачах теплообмена, совместно с уравнением (2) решалось уравнениеэнергии:+ ⃗∇= Δ + ,(4)где qV = j2/σ; σ, с, λ, Т – электропроводность, теплоемкость, теплопроводностьи температура расплава.Для изучения процесса плавления металла и поведения его свободнойжидкой поверхности использовались, соответственно, энтальпийно-пористаяи VOF (Volume of Fluid) модели расчета. Решение уравнений (2) и (3)проводилось в пакете ANSYS Fluent с использованием k-ω SST моделитурбулентности, а расчет магнитных полей и полей электромагнитной силы –при помощи самостоятельно написанных программных модулей.В главе 2.4 представлены результаты экспериментальных и расчетнотеоретических исследований ЭВТ на установках с осевой симметрией,моделирующих процессы электрошлаковой сварки, а также электрошлаковойи электродуговой переплавки металлов.В подразделе 2.4.1 описаны опытные данные экспериментов, выполненныхс помощью волоконно-оптических датчиков скорости в ИФ АН Латв.

ССР.Проведенные измерения позволили впервые, применительно к проблемамэлектрошлаковой сварки и электрошлакового переплава, на ртутных моделяхизучить структуру ЭВТ и выявить закономерности, связывающие значениеосевой (Wz) компоненты скорости с параметрами электрического тока игеометрическими характеристиками установки.В частности, было показано, что для цилиндрической ванны радиуса Rструктура ЭВТ в ее объеме существенным образом зависит от длиныконтейнера L. В относительно коротких контейнерах, например, при L = R и I≥ 200 А (до 1500 А) имеет место развитое турбулентное течение,характеризующееся схожим распределением скорости по оси канала (рис.8а).

При R <L < 2R развитая турбулентность начинается с I = 400 A, араспределениеосевойскоростихарактеризуетсяужедругимиуниверсальными зависимостями. При L = 3R развитое ЭВТ имеет место вотносительно небольшой области под малым электродом (z < R), вне которойразвиваются нерегулярные крупномасштабные вихри.

Примечательно, что вовсех перечисленных случаях осевая скорость пропорциональна силе тока, аструктура потока вблизи малого электрода схожа со струйным течением.Последнее обстоятельство подтверждают представленные на рис. 8брезультаты обработки профилей скорости Wz, произведенные по методике,которую обычно используют для затопленных турбулентных автомодельныхструй с постоянной турбулентной вязкостью. Измерения z-компонентыскорости по радиусу выполнены при I = 1000 А в различных сечениях z =const. При других значениях тока характер этой зависимости аналогичен.20Wz0/W*z01Wz /Wz0*1.00.80.60.50.4I= 200 –1500 A~z = 0.10~ = 0.37z~ = 0.50z~ = 0.63z~ = 0.77z~ = 0.99z0.2000.51~z а)00.51r/r1/2 б)Рис.

8. Результаты измерений распределения осевой компоненты скорости Wz по длине (а)и радиусу (б) цилиндрического контейнера. L = R., Wz0 , ∗ – скорость на оси установки иее максимальное значение, ̃ = / .Количественные данные по полям скорости ЭВТ в осесимметричнойсистеме с несколькими (тремя) электродами при постоянном и переменномэлектрическом токе свидетельствуют о сложном знакопеременном характереэтих течений и подтверждают предположение об ограниченности методавосстановления структуры потоков в объеме жидкости по результатамнаблюдений за поверхностными течениями.Результаты исследований, проведенных на установке ОИВТ РАН иявляющихся логическим продолжением опытов, описанных выше,представлены в подразделе 2.4.2.

Эксперименты были проведены в рабочейванне полусферической формы. Данная геометрия контейнера в большейстепени, чем цилиндрическая форма, приближена к условиямэлектрошлаковой сварки и электродугового переплава. Опыты сиспользованием волоконно-оптических датчиков скорости были выполненыв интервале значений силы постоянного электрического тока 50 ≤ I ≤ 400A(максимальная плотность тока j < 1.6×108А), что в пересчете набезразмерный параметр электровихревого течения S = µ0I2/ρν2 соответствуетдиапазону 2×106 ≤ S ≤ 8.5×109. В подобных режимах при интенсивном водяномохлаждении рабочего участка и электродов в жидком металле практическиотсутствуют градиенты температур, что позволяет корректно применять вопытах волоконно-оптические датчики скорости.Рис.