Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES
Автор: Карасев Тимофей Олегович, Теймуразов Андрей Сергеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.12, 2019 года.
Бесплатный доступ
Исследуется турбулентная конвекция расплавленного магния в реакторе восстановления титана. Реторта реактора представляет собой цилиндрический сосуд радиусом 0,75 м и высотой до 4 м, в котором находится жидкий магний при температуре 850°C. В ходе процесса, который длится более двух суток, в аппарате восстановления возникают значительные градиенты температуры вследствие протекания экзотермической химической реакции на поверхности металла, одновременного охлаждения боковой стенки и подогрева нижней части реторты. Градиенты температуры вызывают внутри реактора конвективные течения, которые в свою очередь значительно влияют на формирование титанового блока. Математическое описание конвективных течений в реакторе основано на уравнениях термогравитационной конвекции для однофазной среды в приближении Буссинеска. Рассматривается возможность моделирования турбулентных конвективных течений в реакторе восстановления титана с использованием RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) k -ε и k -ω SST (Shear Stress Transport) моделей...
Конвекция, турбулентность, малые числа прандтля, жидкий металл, численное моделирование, пакет программ openfoam
Короткий адрес: https://sciup.org/143168908
IDR: 143168908 | УДК: 532.517.4:536.252 | DOI: 10.7242/1999-6691/2019.12.4.30
Modeling of liquid magnesium turbulent convection in the titanium reduction apparatus using RANS and LES approaches
Turbulent convection of molten magnesium in a titanium reduction reactor is investigated. The reactor retort is a cylindrical vessel of radius 0.75 m and height 4 m, which contains liquid magnesium maintained at a temperature of 850°C. During the process lasting for more than two days, significant temperature gradients occur in the reduction apparatus due to an exothermic chemical reaction on the metal surface, cooling of the side wall of the retort and simultaneous heating of its bottom. Temperature gradients cause convective flows inside the reactor, which in turn significantly affect the formation of the titanium block. The mathematical model of convective flows in a reactor is based on the equations of thermogravitational convection for a single-phase medium in the Boussinesq approximation. The possibility of modeling turbulent convective flows in a titanium reduction reactor using RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes equations) k - ε and k - ω SST (Shear Stress Transport) models is considered...
Список литературы Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES
- Frick P., Khalilov R., Kolesnichenko I., Mamykin A., Pakholkov V., Pavlinov A., Rogozhkin S. Turbulent convective heat transfer in a long cylinder with liquid sodium // Europhys. Lett. 2015. Vol. 109. 14002.
- Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., Mamykin A., Shestakov A., Frick P. Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders // Phys. Rev. Fluids. 2018. Vol. 3. 043503.
- Teimurazov A., Frick P. Thermal convection of liquid metal in a long inclined cylinder // Phys. Rev. Fluids. 2017. Vol. 2. 113501.
- Zwirner L., Shishkina O. Confined inclined thermal convection in low-Prandtl-number fluids // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 850. P. 984-1008.
- Мандрыкин C.Д., Теймуразов А.С. Турбулентная конвекция жидкого натрия в наклонном цилиндре с единичным аспектным отношением // Вычисл. мех. сплош. сред. 2018. Т. 11, № 4. С. 417-428.
- Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh-Benard convection // Rev. Mod. Phys. 2009. Vol. 81. P. 503-537.
- Рогожкин С.А., Аксенов А.А., Жлуктов С.В., Осипов С.Л., Сазонова М.Л., Фадеев И.Д., Шепелев С.Ф., Шмелев В.В. Разработка модели турбулентного теплопереноса для жидкометаллического натриевого теплоносителя и её верификация // Вычисл. мех. сплош. сред. 2014. T. 7, № 3. C. 306-316.
- Belyaev I.A., Genin L.G., Listratov Ya.I., Melnikov I.A., Sviridov V.G., Sviridov E.V., Ivochkin Yu.P., Razuvanov N.G., Shpansky Yu.S. Specific features of liquid metal heat transfer in a tokamak reactor // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, No. 1/2. P. 177-190.
- Гармата В.А., Гуояницкий Б.С., Крамник В.Ю., Липкес Я.М., Серяков Г.В., Сучков А.Б., Хомяков П.П. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1968. 643 с.
- Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. М.: Металлургия, 1983. 559 с.
- Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1971. 320 с.
- Мальшин В.М., Завадовская В.Н., Пампушко Н.А. Металлургия титана. М.: Металлургия, 1991. 208 с.
- Халилов Р.И., Хрипченко С.Ю., Фрик П.Г., Степанов Р.А. Электромагнитные измерения уровня жидкого металла в замкнутых объемах // Измерительная техника. 2007. № 8. С. 41-44.
- Krauter N., Eckert S., Gundrum T., Stefani F., Wondrak T., Frick P., Khalilov R., Teimurazov A. Inductive system for reliable magnesium level detection in a titanium reduction reactor // Metall. and Materi. Trans. B. 2018. Vol. 49. P. 2089-2096.
- Тарунин Е.Л., Шихов В.М., Юрков Ю.С. Свободная конвекция в цилиндрическом сосуде при заданном тепловом потоке на верхней границе // Гидродинамика. Пермь, 1975. Вып. 6. С. 85-98.
- Цаплин А.И., Нечаев В.Н. Численное моделирование неравновесных процессов тепломассопереноса в реакторе для получения пористого титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2013. Т. 6, № 4. С. 483-490.
- Теймуразов А.С., Фрик П.Г. Численное исследование конвекции расплавленного магния в аппарате восстановления титана // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8. № 4. С. 433-444.
- Teimurazov A., Frick P., Stefani F. Thermal convection of liquid metal in the titanium reduction reactor // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012041.
- Teimurazov A., Frick P., Weber N., Stefani F. Numerical simulations of convection in the titanium reduction reactor // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. Vol. 891. 012076.
- Khalilov R., Kolesnichenko I., Teimurazov A., Mamykin A., Frick P. Natural convection in a liquid metal locally heated from above // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 208. 012044.
- Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 805 p.
- Deardorff J.W. A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers // J. Fluid Mech. 1970. Vol. 41. P. 453-480.
- Issa R.I. Solution of the implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. 1986. Vol. 62. P. 40-65.
- Chen F., Huai X., Cai J., Li X., Ruixue Meng. Investigation on the applicability of turbulent-Prandtl-number models for liquid lead-bismuth eutectic // Nucl. Eng. Des. 2013. Vol. 257. P. 128-133.
- Cebeci T. Model for eddy conductivity and turbulent Prandtl number // J. Heat Tran. 1973. Vol. 95. P. 227-234.
