Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 6

9. Характерный вид осциллограмм пульсаций скорости на оси контейнера при разныхтоках на глубине z = 40 мм. Диаметр малого электрода 5 мм.21На рис. 9 представлены характерные осциллограммы осевой компонентыскорости при различных значениях силы электрического тока. Как видно изприведенного рисунка, в процессе своего развития ЭВТ с какого-то моментатеряют устойчивость и распадаются на отдельные вихри, генерирующиеинтенсивныенизкочастотныепульсациискорости.Полученныеосциллограммы скорости свидетельствуют о существенно более сложнойгидродинамической структуре ЭВТ, чем предполагалось ранее на основерезультатов расчетно-теоретических исследований.Рис.10.Профилиаксиальнойкомпоненты скорости: (а) – по радиусу r;(б) – на оси по глубине z ванны.

I =250 А. 1, 4 – z = 5 мм; 2, 5 – 20 мм; 3, 6 –30 мм. Точки – эксперимент, линия –расчет.Рис. 11. Зависимость абсолютных (1) иотносительных(2)среднеквадратичныхзначений пульсаций скорости от значенияэлектрического тока.Характерная и общепринятая структура ЭВТ - одиночный осесимметричныйвихрь, имеющий форму тора, имеет место лишь на начальном этапе развитияэлектровихревого течения.

Вращение этого вихря направлено таким образом,что поверхностное течение жидкости сходится к центру полусферы. При этомпрофили осредненной скорости осевого потока (рис. 10), направленного внизот малого электрода в глубину ванны, так же как в цилиндрических ваннах,обобщаются зависимостями типа: Wz/Wz0 ≈ 1+0.05R – 0.74R2 + 0.3R3 (здесь R=r/r0.5, r0.5 – радиус струи, при котором скорость равна половине максимальногозначения), применяемыми при обработке струйных течений.

Течение имееттурбулентный характер; причем при потере устойчивости ЭВТ относительноезначение интенсивности пульсаций скорости достигает ~ 20% от ееосредненной составляющей (рис. 11). Пульсации скорости сосредоточены вобласти низких частот; их амплитудный спектр ограничен «сверху» частотойнесколько десятков Гц.С целью выяснения возможных причин перестройки гидродинамическойструктуры ЭВТ и расширения диапазона исследований в диссертационнойработе применялись, как было указано выше, численные методы. Для ихверификации использовались опытные данные, полученные с помощьюволоконно-оптических датчиков скорости.

Сравнение с экспериментомсвидетельствует о достоверности результатов проведенных вычислений, чтообосновывает справедливость распространения используемых численных22методик для изучения ЭВТ в областях, недоступных волоконно-оптическимпреобразователям скорости, т.е. для изучения как низкоскоростных, так исильно неизотермических потоков при силе тока I < 50A и I > 400 A.Численные исследования ЭВТ при больших значениях тока, дополненныеизмерениями местной скорости и температуры, выявили определяющеевлияние внешнего магнитного поля на их гидродинамическую структуру.Было показано, что именно силовое взаимодействие растекающегося врасплаве электрического тока с внешними МП (включая магнитные поляЗемли и токоподводов) вызывает осевую закрутку расплава, которая являетсяосновной причиной потери устойчивости ЭВТ и генерации вторичныхкрупномасштабных вихревых структур.Рис.

12. Осциллограмма аксиальной скоростина оси на разных глубинах z погружениядатчика. Расчет: 1, 4 – z = 11.5 мм; 3 – 5 мм; 5– 15 мм; 6 – 20 мм. Штриховая линия - беззакрутки. 2 – эксперимент, z = 11.5; I = 400 A.Рис. 13. Зависимость азимутальной скоростиот радиуса в горизонтальной плоскости. I =400A. L = 400 мм. 1, 2 – измерения скоростивремяпролетным методом и волоконнооптическим датчиком, соответственно; 3 –расчет.Анализ полученных экспериментальных и расчетных данных, которыеудовлетворительно согласуются друг с другом (смотри, например, рис. 12 ирис. 13), свидетельствует, что в зависимости от значений силыэлектрического тока, индукции внешнего магнитного поля и отношениядиаметров электродов для одного типа расплава имеют место разные формысуществования электровихревого течения в полусферической ванне. Данноеутверждение наглядно иллюстрирует рис. 14, где представлены характерныекартины распределения линий тока, полученные при значении силы рабочегоэлектрического тока I = 400 A и отношении диаметров электродов ≈ 1:38.

Вотсутствии внешнего магнитного поля, как уже упоминалось выше, во всемобъеме рабочей ванны наблюдается устойчивое осесимметричноеэлектровихревое течение в форме тора, сходящееся на свободнойповерхности и направленное по оси вглубь объема жидкости (рис. 14а). Вусловиях воздействия внешнего магнитного поля, имеющего осевуюсоставляющую В0, данная гидродинамическая структура также имеет место,но лишь на начальной стадии генерации ЭВТ. Затем всегда развиваетсягоризонтальное вращение расплава относительно оси установки. Подобная23закрутка жидкости приводит к возникновению осесимметричноговторичного вихря в вертикальной плоскости (см.

рис. 14б), который создаетпоток, направленный вверх по оси ванны и подавляющий нисходящееэлектровихревое течение. В диапазоне 2×10-4 ≤ В0 <10-3 Тл вполусферической ванне имеют место гидродинамические режимы с разнойструктурой ЭВТ: автоколебательная двухвихревая система, в которой вихривзаимосвязано, по гармоническому закону изменяют свои размеры;хаотическая структура, состоящая из множества относительно мелкихколеблющихся вихрей (рис.

14в). При В0 ≥ 10-3 Тл в расчетах иэкспериментах наблюдается устойчивая двухвихревая структура, в которойпреобладает вторичное течение, а вихрь, созданный электровихревойконвекцией, смещен на периферийную верхнюю часть полусферическойванны.а)б)в)г)Рис. 14. Вид гидродинамической структуры ЭВТ в зависимости от внешнего магнитногополя. (а) – В=0; (б) – <10-4 Тл; (в) – 2×10-4 Тл; (г) - В>10-3 Тл; I = 400А. d/D ≈ 1:38.Помимо внешних магнитных полей, созданных искусственным образом, наЭВТ постоянно воздействует МП Земли, от влияния которого практическинельзя отстроиться в эксперименте.

Обычно предполагается, что подобноевлияние незначительно. Однако описанные выше результаты позволяютпредположить, что и это относительно слабое МП (на широте Москвымагнитное поле Земли имеет наклонение в 190, при этом вертикальнаякомпонента равна 4.9×10-5 Тл) может вызвать закрутку электровихревоготечения.С целью проверки выдвинутого предположения были проведеныэксперименты по измерению скорости азимутальной закрутки в условияхпрактического отсутствия в рабочей ванне магнитных полей искусственногопроисхождения, которые могли бы вызвать азимутальное вращение расплава.В опытах через установку пропускался относительно малый ток I=40 А, а длясохранения плотности электрического тока на достаточном уровнеиспользовался центральный электрод диаметром 0.55 мм.

Горизонтальныеучастки токоподводов были удалены на максимально возможное расстояниеот рабочей ванны, чтобы минимизировать влияние их МП на ЭВТ. Вподобных условиях измеренный уровень индукции магнитного поля(включая МП Земли) в районе рабочего участка не превышал 6×10-5 Тл.Измерение скорости перемещения поверхности жидкого металлаосуществлялось с помощью цифровой видеокамеры методом водородных24меток. Полученные экспериментальные данные, с которыми согласуютсярезультаты проведенных численных расчетов, доказывают предположение,что парадоксальная спонтанная закрутка осесимметричных ЭВТ вконтейнере с полной осевой симметрией, причины возникновения которой допоследнего времени оставались не достаточно ясными, может быть связана свлиянием неустранимого в опытах МП Земли. При этом азимутальнаяскорость на поверхности расплава в стационарном режиме может достигатьотносительно больших значений (~ 10 см/с), соизмеримых со скоростьюэлектровихревого течения.Результаты визуальных наблюдений также свидетельствуют обимеющихся особенностях поведения ЭВТ на свободной поверхностирасплава, а именно: образовании углубления (воронки) вблизи малогоэлектрода,электрическомпробоеприопределенных значенияхэлектрического тока и генерации поверхностной волны при резкомнарастании его значения.

Было экспериментально установлено, что вусловиях проведенных опытов (диапазон изменения силы электрическоготока 300 – 750А, а его плотность j ≤ 5×107 А/м2) зависимость величины токавозникновения электрической дуги от радиуса электрода имеет линейныйхарактер, а высота образующейся воронки пропорциональна квадратуотношения силы электрического тока к диаметру малого электрода.Характерная скорость распространения гребня волны, образующейся наповерхности жидкого металла при резком включении электрического тока,составляла несколько десятков см/с.Рис. 15. Расчетное изменение формы поверхности сплава In-Ga-Sn в зависимости отвеличины силы электрического тока. Диаметр малого электрода 5 мм.

(а) – I = 0 А; (б)– 270 А; (в) – 380 А; (г) – 450 А; (д) – 500 А; (е) – 540 А.Численные исследования влияния деформации свободной поверхности нахарактеристики ЭВТ выполнялись в программном пакете Fluent сиспользованием VOF модели расчета. Для вычисления магнитного полявблизи малого электрода был разработан оригинальный метод вычислений,достоверность которого подтверждена результатами тестовых расчетовмагнитныхполей,описывающихсяизвестнымианалитическимизависимостями. Расчеты параметров воронки вблизи малого электрода быливыполнены при различных (50 – 1000 А) значениях электрического тока.Результаты расчетов находятся в удовлетворительном соответствии сэкспериментальными данными и свидетельствуют, что возникновениеэлектрического пробоя обусловлено пинч-эффектом, а не осевой закруткойрасплава.

Сжатие и перемещение токопроводящей жидкости под действиеммагнитного давления приводит к образованию воронки, уменьшениюплощади соприкосновения жидкого металла с поверхностью малогоэлектрода (рис. 15) и, как следствие, электрическому пробою.25В заключительной части подраздела 2.4.2 представлены результатыанализа, частичного обобщения и применения полученных результатов. Былопоказано, что поля скорости вблизи малого электрода для ванн какцилиндрической, так и полусферической геометрии, описываются одними итеми же закономерностями, характерными для струйных течений.

Отмечено,что действие слабых магнитных полей, включая МП Земли, имеющихпродольную (относительно оси установки) компоненту индукции МП,практически всегда приводит к азимутальной закрутке потока. Определеныграницы возникновения вторичных потоков ЭВТ в зависимости от значенийсилы электрического тока, продольной компоненты внешнего магнитного поляи времени протекания процесса.Полученные результаты по полям скорости позволили оценить влияниеэлектровихревых течений как на интенсивность процессов перемешиванияпримесей, так и на время переплавки металлов. Для численного решенияпервой задачи в расчетах использовался метод нейтральной примеси.Вычисления, проведенные для значений индукции внешнего магнитногополя 10-5÷10-1 Тл, выявили периодический пульсирующий характеризменения местной концентрации примеси, сглаживающийся в условияхазимутальной закрутки и возникновении вторичных течений.