Автореферат (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 7

Было показано,что эффективность процесса перемешивания металла в значительной степениопределяется местом ввода примеси, а МП разнонаправленным образомвлияет на интенсивность процесса перемешивания. Например, при токе I =400 А малое МП (10-4 Тл), которое приводит к подавлению ЭВТ, ухудшаетмассообменные процессы; в магнитном поле большой интенсивности (В >10-2 Тл), главным образом, за счет усиления скорости горизонтальнойзакрутки потока, имеет место интенсификация перемешивания, приводящаяк сокращению в три раза времени выхода системы на режимквазипостоянной концентрации.Вторая задача о влиянии ЭВТ и внешнего магнитного поля на плавкуметалла решалась как экспериментальными (для этого была проведенамодернизация экспериментального стенда), так и численными методами.

Вопытах эвтектический сплав In-Ga-Sn с температурой плавления ~ 10 0Сохлаждался до 0 0С. Затем, через замерзший сплав пропускалсяэлектрический ток силой I = 400 А, что вызывало плавление рабочего тела.Внешнее продольное магнитное поле с максимальной индукцией 5 мТлсоздавалось при помощи соленоида, витки которого были обмотаны вокруграбочего участка. В опытах каждые 3 минуты измерялись глубина и ширинапроплавленной зоны, а также температура расплава.При численном изучении влияния ЭВТ на процесс плавления металлаиспользовалась т.н.

энтальпийно-пористая модель расчета, встроенная впрограммный пакет ANSYS Fluent. Результаты расчетов и опытовсогласуются друг с другом. Полученные данные свидетельствуют, чтовначале проплавляется малый участок под меньшим электродом и в немсразу возникает электровихревое движение жидкости. В условиях отсутствия26внешнего магнитного поля соленоида ЭВТ, имеющее в области подэлектродом вид затопленной струи, вызывает направленное плавлениеметалла вниз вдоль оси рабочей ванны. После того как расплавилась до днапрактически вся приосевая область, начинается медленное плавлениеметалла вширь по радиусу ванны.При воздействии на расплав сильного внешнего магнитного полявозникает закрутка расплава в азимутальном направлении и генерируетсявторичный вихрь, направленный вверх по оси ванны (см.

рис. 15г). Осевоевращение жидкости усиливает массообменные процессы в горизонтальнойплоскости рабочего участка. В результате, вначале сплав плавится вдольрадиуса (в цилиндрических координатах), а затем в направлении глубиныванны. При этом, как показали результаты исследований, время полногоплавления всего объема сплава оказалось на 12% меньше чем без внешнегополя, что важно для оптимизации работы и повышения энергоэффективностиэлектродуговых плавильных агрегатов.В заключении 2.5 кратко изложены основные результаты исследований,описанных в разделе II. В нем отмечается, что с помощью волоконнооптических датчиков впервые была исследована тонкая гидродинамическаяструктура электровихревых течений применительно к проблемамэлектрошлаковой сварки, а также электрошлакового и электродуговогопереплава металлов.

Полученный достоверный материал позволилверифицировать численные методы расчета, которые в существеннойстепени расширяют возможности исследования ЭВТ.Было показано, что наличие даже относительно слабого (т.е. соизмеримымс МП Земли) внешнего продольного магнитного поля может являтьсяпричиной кардинальной перестройки структуры электровихревого течения,вызванной вращением жидкости и появлением вторичных вихрей. Вусловиях реальной промышленной плавки металлов существует множествоисточников внешних электромагнитных полей, которые приводят к закруткеЭВТ в жидкометаллической ванне и разнонаправленным образом влияют напроцессы перемешивания, а также время плавки металлов.

Поэтому,результаты численных расчетов течений в ваннах электроплавильныхагрегатов, выполненных без учета взаимодействия электрического тока свнешними, даже относительно слабыми, магнитными полями, являются недостаточно достоверными.Описанные физические эффекты на поверхности электровихревых теченийнеобходимо учитывать при расчете оптимального значения глубиныпогружения плавящегося электрода в условиях электрошлаковой сварки иэлектрошлакового переплава. Чрезмерно большие значения этой величиныприводят к уменьшению плотности электрического тока и затягиваниюпроцесса плавки, а его уменьшение увеличивает вероятность потериэлектрического контакта и возникновению электрического пробоя.27Раздел III.

Исследование механизмов вскипания недогретой воды нагорячих металлических телах и жидкометаллических капляхВ разделе III описаны результаты изучения методом физическогомоделирования термогидродинамических процессов, предшествующих исопутствующих кризису режима пленочного кипения недогретой воды наперегретых жидкометаллических и твердых поверхностях. Подобныеисследования важны для понимания механизмов возникновения и развитияпарового взрыва.Во введении 3.1 к разделу кратко описаны основные этапы паровоговзрыва, степень понимания механизмов их протекания и место проведенныхисследований в изучении данной проблемы.В главе 3.2 диссертации приведён критический обзор литературы,касающейся вопросов взрывного взаимодействия расплав – охладитель.Показана определяющая роль кипения на стадиях предварительногоперемешивания и инициирования взрыва, вызванного дроблением капельрасплава.Подчеркивается,чтоэтаптонкойфрагментациижидкометаллической капли, связанный с разрушением окружающей еепаровой оболочки и прямым контактом холодной жидкости с горячей каплей,является ключевым в понимании механизма развития спонтанного паровоговзрыва; однако полного представления о протекании этого этапа до сих порне достигнуто.В обзоре также перечислены основные модели фрагментациижидкометаллической капли и отмечается, что в настоящее время несуществуетединойуниверсальнойтеории,объясняющейвсеэкспериментально наблюдаемые явления, связанные с этим процессом.Приведена классификация экспериментальных установок и описаны ихконструкции.

Показано, что физическое моделирование процессаинициирования парового взрыва проводилось как на жидкометаллических,так и на твердых поверхностях.В этой же главе представлены основные экспериментальные результатыработ отечественных и зарубежных авторов по фрагментации одиночныхкапель расплава, а также тесно связанных с данным вопросом исследованийпо режиму пленочного кипения недогретых жидкостей. Отмечается, чтоэкспериментальные данные по характеристикам явлений, сопровождающихвзрывное взаимодействие капли горячего расплава с охладителем, во многомпротиворечивы.В заключительной части обзорной главы на основе проведенного анализалитературы сформулированы задачи, методы и подходы исследования.В главе 3.3 приведены описания экспериментальных установок и методикпроводимыхизмерений.Использовалисьрабочиеучасткисжидкометаллическими и твердыми металлическими нагретыми рабочимителами (рис. 16).

На рис. 16а показана установка с жидкометаллическойоловянной каплей, подвешенной в объёме охладителя. При проведенииопытов олово, находящееся внутри нержавеющей трубки с намотанным28электрическим нагревателем, расплавлялось и выдавливалось из торцевогоотверстия до образования тела полусферической формы, погружаемого вобъем охладителя – дистиллированной воды, недогретой до температурыкипения. Для удержания расплава в подвешенном состоянии ирегулирования его формы использовалось специальное сильфонноеустройство. В другой установке (рис. 16б) рабочее тело (обычно стальнойшарикоподшипник) размещалось на специальной подложке и плавилось ватмосфере аргона с помощью наведенных индукционных токов. Затемметаллическая капля медленно погружалась в воду и, в результате испаренияохладителя, обволакивалась паровой пленкой.Вдиссертациипоказано,чтоэксперименты с каплями жидкого4металлаотносительносложнывпроведении, а получаемые данные,21главным образом, из-за окислениягорячейжидкометаллической3поверхности,могутсущественныма)образом отличаться от опыта к опыту.Указанного недостатка в существенной12степени лишена экспериментальнаяметодика, в которой используютсятвердотельные металлические рабочиеучастки, основанные на принципетеплового клина.

Установка подобного3типа (см. рис. 16в) применялась дляизучения закономерностей пленочногоб)кипенияистадииначальногосоприкосновения охладителя с горячейповерхностью,посколькуможнопредположить, что подобные процессыдля жидких и твердых перегретых телразвиваются схожим образом.Экспериментысподвешеннымикаплями и твердыми нагретыми теламисхожи по методу проведения, которыйв)состоял из следующих этапов. ВРис. 16. Схемы установок (а), (б) – сжидкимии(в)–твердыми исходном состоянии рабочий участок сметаллическими телами.

1 – жидкий жидкой или твердой металлическойметалл (капля); 2 – нагреватель; 3 – ванна торцевойповерхностью4 – сильфон; 5 – металлический стержень полусферической формы нагревался нас полусферическим окончанием.воздухе или в атмосфере аргона. Затемэлектрический нагреватель отключался, а рабочий участок с помощьюспециального координатного устройства со скоростью несколькомиллиметров в секунду погружался в заполненную дистиллированной водой~UArRedLake7R=24. 3 КОhmNIPXI25329ванну на глубину радиуса полусферы. Начальное значение температурыполусферы выбиралось из условия получения на ее поверхности припогружении в воду режима заведомо устойчивого пленочного кипения.

Этатемпература существенно изменялась в зависимости от состоянияповерхности и варьировалась в диапазоне 400 – 700 0С. Диапазон изменениятемпературы охлаждающей жидкости составлял 15 – 95 0С. Процесс сходапаровой пленки наблюдался визуально с одновременным измерениемтемпературных параметров процесса, давления, звуковых эффектов,толщины пленки пара и параметров соприкосновения охладителя с горячейповерхностью.Эксперименты, использующие индукционный способ разогрева образцов,проводились в следующей последовательности.

На первом этапе плавящийсяобразец размещался на керамической подставке в емкости, которая дляпредотвращения быстрого окисления поверхности жидкометаллическойкапли была заполнена аргоном. Индукционный нагрев образцовосуществлялся до температур, немного превышающих температуруплавления материала (для стали ~ 1400 0C). После выполнения этой операцииметодом сообщающихся сосудов происходил залив емкости охладителем –дистиллированной водой, имеющей температуру ниже температурынасыщения.

В опытах проводились визуальные наблюдения за поведениемпаровой оболочки вокруг перегретой капли, а также отслеживаласьтемпература ее поверхности. Во всех экспериментах использоваласьдистиллированная вода, дегазированная посредством двухчасовогокипячения.Для проведения многофункциональных исследований механизмаразрушения паровых оболочек на базе аппаратуры фирмы NationalInstruments был создан измерительный комплекс, позволяющий с частотойоцифровки до 106 изм./с проводить синхронные измерения сигналов снескольких преобразователей, включая датчики температуры и давления.