Мгд-процессы, обусловленные переменным магнитным полем в каналах технологических устройств

На правах рукописи

Халилов Руслан Ильдусович

Мгд-процессы, обусловленные переменным магнитным полем в каналах технологических устройств

01.02.05. Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Пермь 2007

Работа выполнена в Институте Механики Сплошных Сред УрО РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Хрипченко Станислав Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Цаплин Алексей Иванович

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник

Баранников Владимир Александрович

Ведущая организация: Московский энергетический институт

Защита состоится 20 сентября 2007г. в 11 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 004.012.01 при Институте Механики Сплошных Сред УрО РАН по адресу: 614013, г.Пермь, ул.Академика Королева, 1; тел: (342) 2378388; факс: (342) 2378487; сайт: http://www.icmm.ru .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМСС УрО РАН.

Автореферат разослан «___» ___________ 2007.

Учёный секретарь

диссертационного совета Березин И.К.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время магнитогидродинамические (МГД) устройства и технологии управления потоками проводящей жидкости получили широкое распространение в различных областях техники. В частности, в металлургической промышленности они используются для транспортировки, очистки, дозирования и прочих операций с расплавленными металлами. При этом, многие МГД-устройства оперируют с плоскими слоями жидкого металла. Одной из причин использования плоских слоев является возможность снизить габариты и затраты энергии для генерации в них электромагнитных сил необходимой интенсивности, что применяется, например, в ряде конструкций МГД-насосов. В некоторых процессах, таких, как непрерывное литье стали и электролиз алюминия, плоский слой изначально является особенностью технологии. С развитием промышленности возникает потребность в разработке новых МГД-устройств и усовершенствовании уже имеющихся устройств и технологий. Поэтому, изучение процессов, происходящих в слоях проводящей жидкости под действием электромагнитных сил, имеет большое как научное, так и практическое значение.

В ряде технологических процессов используются течения, возникающие при взаимодействии внешнего переменного магнитного поля, пронизывающего плоский слой в поперечном направлении, и индуцированных этим полем токов. При взаимодействии тока и магнитного поля в слое генерируются объемные силы, приводящие к вихревому течению. С появлением современных и точных лабораторных приборов появилась возможность более полно исследовать и понимать процессы, происходящие в проводящей жидкости, находящейся в плоском канале под воздействием внешнего переменного магнитного поля. Это в совокупности с теоретическими моделями дает эффективный метод исследования, позволяющий подбирать из широкого диапазона параметров наилучшие. Таким образом, теоретическое и экспериментальное изучение МГД-процессов, связанных с магнитовихревыми течениями, построение математических моделей, позволяющих производить многовариантные исследования, а также тестирование этих моделей путем сравнения результатов расчетов и экспериментов, является актуальной задачей.

Целью работы является исследование МГД-процессов, происходящих в плоском слое проводящей жидкости под воздействием внешнего магнитного поля, пронизывающего слой в поперечном направлении; использование исследуемых процессов и закономерностей для расчета и создания новых МГД-устройств для управления потоками жидкого металла; исследование поведения переменного магнитного поля токового кольца вблизи конечного цилиндрического проводящего тела.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально исследована эволюция четырехвихревого течения (вызванного воздействием переменного магнитного поля, нормального плоскости слоя) в ограниченном плоском слое проводящей жидкости со свободной и закрытой верхней поверхностью. Экспериментально обнаружено, что течение с закрытой верхней поверхностью является более устойчивым, чем со свободной верхней поверхностью.
2. Предложена новая конструкция индукционного насоса, основанная на генерации двухвихревого течения в плоском канале переменным магнитным полем. Новизна конструкции подтверждена патентом.
3. Трехмерные уравнения электродинамики редуцированы в двумерные (с использованием функции рассеяния магнитного поля и закона полного тока) для описания электродинамических характеристик в плоском проводящем слое, помещенном в зазор между полюсами ферромагнитного сердечника, создающего переменного магнитное поле.
4. Предложен новый способ бесконтактного определения уровня жидкого металла в цилиндрическом объеме. Новизна конструкции подтверждена патентом.

Защищаемые положения.

1. Математическая модель для описания электродинамических характеристик процессов в плоском проводящем слое под действием внешнего переменного магнитного поля, пронизывающего слой в поперечном направлении, основанная на редукции трехмерных уравнений электродинамики в двумерные (с использованием закона полного тока и функции рассеяния магнитного поля), позволяющая рассчитывать технические характеристики индукционных МГД устройств с плоским каналом.
2. Результаты теоретического и экспериментального исследования вихревых течений, генерируемых в плоском проводящем слое переменным магнитным полем, пронизывающим слой в поперечном направлении.
3. Система бесконтактного измерения уровня жидкого металла в цилиндрической емкости, основанная на результатах теоретического и экспериментального исследования поведения магнитного поля токового кольца вблизи конечного цилиндрического проводящего тела.

Практическая ценность.

1. Результаты численных и экспериментальных исследований характеристик индукционных МГД насосов могут быть использованы при создании новых индукционных МГД устройств. Предполагается в дальнейшем использовать разработанную математическую модель при проектировании МГД насосов и перемешивателей для жидких металлов.
2. Результаты исследования эволюции магнитного поля токового кольца вблизи цилиндрического массивного проводящего тела использованы при разработке устройств для определения уровня жидкого магния в реторте восстановления титана на Березниковском титано-магниевом комбинате.

Работы выполнялась в рамках проектов РФФИ 04-01-08024-офи\_а и 04-01-97501-р\_офи.\par

Достоверность результатов.

Для проверки адекватности численных расчетов объемных электромагнитных сил, полученных с помощью математической модели, были использованы экспериментальные данные, а также некоторые результаты аналитического решения задач в простых постановках. Расчеты реальных процессов сравнивались с экспериментальными исследованиями. Результаты расчетов и экспериментов хорошо согласуются.

Апробация работы.

Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались: на международной конференции FLOWCOMAG, Дрезден, Германия, 2004г; на международной конференции "Пермские динамо дни", Пермь, 2005г.; на Шестой международной конференции по фундаментальной и прикладной магнитной гидродинамике >, Рига, Латвия, 2005г.; на Пятой международной конференции >, Сендай, Япония, 2006г.; на международной конференции >, Казань, 2004г.; на Всероссийской конференции молодых ученых >, Пермь, 2004, 2005 и 2006гг.; на городской конференции молодых ученых >, Пермь, 2006г.; на IX Всероссийской школе-конференции молодых ученых >, Новосибирск, 2006г.; на I Международной научно-технической конференции молодых специалистов, Березники, 2006г.; на Пятнадцатой зимней школе по механике сплошных сред и школе молодых ученых по механике сплошных сред, Пермь, 2007г.; на международной конференции, посвященной измерениям характеристик потока жидкого металла, Дрезден, Германия, 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и списка цитируемой литературы (109 наименований). В работе приводится 69 рисунков. Общий объем диссертации составляет 132 страницы.

Основное содержание работы

В первой главе приведен обзор литературы, посвященной исследованиям явлений, происходящих в слое проводящей жидкости под воздействием магнитного поля. Уделено внимание работам, посвященным вихревым течениям в плоском проводящем слое под действием внешнего переменного магнитного поля, нормального плоскости слоя. Приведен обзор исследований технологических устройств, основанных на МГД процессах в каналах с жидким металлом под действием переменного магнитного поля.

Вторая глава посвящена выводу системы приближенных уравнений, описывающих электродинамические процессы, происходящие в плоском проводящем слое под действием внешнего переменного магнитного поля, нормального плоскости слоя (рис.1).

Рис.1.МГД-слой. 1 – С-образный сердечник, 2 – катушки подмагничивания, 3 – плоский проводящий слой}

Данная глава включает в себя концептуальную и математическую постановку задачи. В концептуальной постановке описаны варианты размещения прямоугольного проводящего слоя относительно полюса С-образного сердечника. В проводящем слое в зависимости от варианта размещения проводящего слоя относительно полюса индуктора генерировалось либо двух- либо четырехвихревое течение (рис. 2).

Рис.2. Схематические изображения взаимного расположения С-образного сердечника и проводящего слоя. Жирными стрелками показаны объемные электромагнитные силы, пунктиром – линии тока.

Рассмотрен способ перехода от трехмерных уравнений к двумерным, описывающим электродинамические процессы в плоском проводящем слое, помещенном в зазор ферромагнитного сердечника, создающего переменное магнитное поле. Уравнения используют закон полного тока и функцию рассеяния магнитного поля. Для определения функции рассеяния магнитного поля решается трехмерная задача о распределении магнитного потенциала. С помощью данной математической модели можно определить распределение объемных электромагнитных сил в плоском проводящем слое, находящемся под воздействием внешнего переменного магнитного поля направленного перпендикулярно плоскости слоя. Также можно исследовать распределение магнитного поля и индуцированных токов (рис. 3).

Рис.3. Распределение магнитного поля в зазоре С-образного сердечника. Точки – эксперимент, линии – расчет.

Математическая модель позволяет учесть наличие верхней и нижней проводящей стенки (с проводимостью стенки отличной от проводимости рабочего слоя).

где – функция рассеяния магнитного поля, – величина немагнитного зазора, – толщина проводящего слоя, – магнитная проницаемость вакуума.

Рассмотрена система приближенных уравнений, описывающих гидродинамические процессы, происходящие в плоском слое. Описан переход от трехмерной постановки задачи к двумерной с использованием приближения тонкого слоя (или «мелкой воды»). Применяется элементарная полуэмпирическая модель турбулентности. В результате используются двумерные уравнения в рамках «безындукционного» приближения для описания турбулентного течения проводящей жидкости.

в которое входят поле локального расхода и интегральные по высоте слоя давления и электромагнитной силы .

где - профиль скорости турбулентного течения.

В третьей главе описаны процессы, происходящие в плоских МГД каналах, которые являются элементами технологических устройств.

В п.3.1. описаны исследования индукционного МГД перемешивателя. В разделе подробно рассматриваются магнитовихревые течения в плоском слое, составляющие основной принцип работы перемешивателя.

Описаны исследования вихревых течений в плоских слоях проводящей жидкости, возбуждаемых при помощи внешнего переменного магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости слоя. Исследована эволюция четырехвихревого течения в зависимости от геометрических параметров проводящего слоя и интенсивности воздействия внешнего переменного магнитного поля. Эксперимент проводился с галлиевым сплавом, помещенным в плексигласовую кювету размерами 0.2х0.1м. Толщина слоя варьировалась в диапазоне 0.006-0.014м. Кювета помещалась в зазор С-образного сердечника таким образом, чтобы полюс сердечника находился в центре (рис.4).

Рис.4. Четырехвихревое МВТ: a – расчет, b – эксперимент.

При увеличении магнитного поля наблюдалось три состояния системы: четырехвихревое течение с неизменными формами вихрей; четырехвихревое течение с попеременным усилением интенсивности диагональных вихрей; трансформация четырехвихревого течения в трехвихревое. Переход от первого состояния во второе регистрировалось с помощью кондукционного датчика скорости, размещенного таким образом, чтобы от перехода системы от одного типа к другому менялся характер сигнала. Было обнаружено, что четырехвихревое течение при увеличении магнитного поля дольше сохраняло свою структуру при меньшей толщине слоя при наличии верхней крышки.

Для обнаружения порогового значения внешнего поля, при котором начинаются колебания вихревого течения, проводились измерения поля скорости с помощью кондукционного датчика скорости, состоящего из постоянного магнита и двух контактов. Регистрируемая датчиком, разность потенциалов между контактами пропорциональна среднему значению компоненты скорости, нормальной отрезку, соединяющему эти контакты.

В п.3.2. рассмотрено устройство магнитовихревого насоса (рис.5a). В таком насосе переменное магнитное поле индуцирует ток непосредственно в плоском канале (помещенном в зазор С-образного сердечника), где он, взаимодействуя с магнитным полем, генерирует объемные магнитные силы, которые раскручивают жидкий металл, производя насосный эффект. Изготовлена

экспериментальная модель насоса, характеристики которой рассчитывались и исследовались на галлиевом контуре (рис.5b).

Рис.5. a – магнитовихревой насос, b – расходно-напорная характеристика (эксперимент).

В п.3.3. рассмотрено устройство индукционного МГД-насоса с замыкающей шиной. Описана принципиальная конструкция насоса. В таком насосе переменное магнитное поле, нормальное плоскости канала, создается С-образным ферромагнитным сердечником. Электромагнитная асимметрия, приводящая к направленной вдоль канала результирующей электромагнитной силы, достигалась с помощью замыкающей шины (рис.6).

Рис.6. Схема индукционного насоса с замыкающей шиной. 1 – канал насоса, 2 – замыкающая шина, 3 – полюсы С-образного сердечника.

Теоретически исследована зависимость суммарной электромагнитной силы от геометрических и электромагнитных параметров насоса.

В п.3.4. описано исследование процессов в МГД-каналах индукционного насоса бегущего поля. Бегущее магнитное поле создают 6 С-образных сердечников, охватывающих канал (рис.7).

Рис.7. Генерация «бегущего» магнитного поля. 1 – С-образные сердечники, 2 – катушки подмагничивания, 3 – плоский проводящий слой.

Подключение к трехфазной сети осуществляется таким образом, чтобы разность фаз между соседними сердечниками составляла . Изготовлены две экспериментальные модели насоса, отличающиеся геометрическими размерами: характеристики первой модели исследовались на галлиевом контуре с каналом из нержавеющей стали (рис.8a); вторая модель исследовалась лишь в стопорном режиме (рис.8b).

Рис.8. a – расходно-напорная характеристика 1-ой модели насоса (эксперимент), b – давление в стопорном режиме, создаваемое 2-ой моделью насоса (точки – эксперимент, сплошная линия – расчет).

Четвертая глава посвящена задаче контроля уровня жидкого металла в объеме.

Описано современное состояние проблемы контроля уровня жидкого магния в реторте металлотермического восстановления титана на Березниковском титано-магниевом комбинате.

Приведен принцип измерения уровня жидкого металла в цилиндрическом объеме, основанный на особенности распределения переменного магнитного поля витка с током вблизи конечного проводящего цилиндра (рис.9).

Рис.9. Простейший способ измерения уровня жидкого металла