Пульсации течения жидкого металла, генерируемые переменным магнитным полем
Автор: Полуянов А.О., Колесниченко И.В.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.17, 2024 года.
Бесплатный доступ
Численно изучается вихревое течение жидкого металла под действием электромагнитной силы. Сила возникает вследствие взаимодействия переменного магнитного поля короткого соленоида и индуцируемого им электрического тока. Короткий соленоид коаксиален с цилиндрической ячейкой и расположен на половине ее высоты. Математическая модель процесса основывается на уравнениях магнитной гидродинамики в безындукционном приближении. Расчеты, проведенные в программном пакете ANSYS Fluent методом контрольного объема, показали, что осредненное течение имеет форму двух тороидальных вихрей. Вычисленные поля скорости отражают колебательное поведение вихрей, сопровождающееся изменением их размеров. В исследуемом диапазоне безразмерного силового параметра выявлены преимущественно одномодовые колебательные режимы течения. С помощью спектрального анализа получены зависимости характерной частоты колебаний и числа Рейнольдса от силового параметра. Выяснено, что период колебаний близок к периоду оборота крупномасштабного вихря. Установлено, что колебания вихрей имеют квазипериодический характер, а четко выраженная частота проявляется лишь в течении вблизи соленоида. Эффект пульсаций скорости достаточно сильный и вполне может быть обнаружен в лабораторных условиях на галлиевой эвтектике. Проведение такого эксперимента планируется на ближайшее время. Скорость течения галлиевой эвтектики будет измеряться ультразвуковым доплеровским анемометром. Результаты численного моделирования и их верификации могут быть полезными при поиске способов уменьшения интенсивности вихревых течений при реализации процесса электромагнитной сепарации примесей, основанной на индукционном механизме генерации электромагнитной силы, которая вытесняет частицы. Данные о частоте пульсаций нестационарного течения могут пригодиться при разработке бесконтактной методики оценки средней электропроводности двухфазной среды, представляющей собой жидкий металл с нежелательными примесями.
Магнитная гидродинамика, переменное магнитное поле, электромагнитная сила, вихревое течение, азимутальный пинч, численное моделирование, пакет ansys fluent
Короткий адрес: https://sciup.org/143182740
IDR: 143182740 | УДК: 537.84 | DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.1.3
Oscillations of the liquid metal flow generated by an alternating magnetic field
This paper studies numerically a vortex flow of liquid metal driven by an electromagnetic force, which is generated by the interaction of the alternating magnetic field of a short solenoid with the induced electrical current. A short solenoid is placed coaxially to a cylindrical cell at half of its height. The mathematical model used to describe the process is based on the equations of magnetic hydrodynamics in the induction-free approximation. Calculations, which are carried out by the control volume method using the ANSYS Fluent package, show that the average flow has the form of two toroidal vortices. The calculated velocity fields are indicative of the oscillatory behavior of vortices, accompanied by a change in their sizes. In the examined range of the force parameter, the predominant flow pattern is the single-mode oscillatory flow. The dependences of characteristic frequency and Reynolds number on the force parameter, are obtained using spectral analysis. It has been found that the oscillation period is close to the period of rotation of a large-scale vortex. It has been established that the oscillations are of quasi-periodic character, and a distinct oscillation frequency is observed only in the flow region near the solenoid. The effect of velocity fluctuations is strong and can be detected in laboratory conditions when using gallium eutectic. Such experiment is planned for the near future. The flow rate of gallium eutectic will be measured by an ultrasonic Doppler anemometer. The results of numerical modeling and their verifications can be useful in determining the ways of reducing the intensity of vortex flows during the electromagnetic separation of impurities, which is based on the induction mechanism responsible for the generation of electromagnetic force that displaces particles. The data on the oscillation frequency of the unsteady flow can be used in the development of a non-contact technique for estimating the average electrical conductivity of a two-phase medium, such as a liquid metal with undesirable impurities.
Список литературы Пульсации течения жидкого металла, генерируемые переменным магнитным полем
- Повх И.Л., Капуста А.Б., Чекин Б.В. Магнитная гидродинамика в металлургии. М.: Металлургия, 1974.240с.
- Архипов В.М. ТехникаработыснатриемнаАЭС.М.: Энергоатомиздат, 1986.136с.
- Tarapore E.D., Evans J.W. Fluid velocities in induction melting furnaces: Part I. Theory and laboratory experiments // Metallurgical Transactions B. 1976. Vol. 7, no. 3. P. 343-351. DOI: 10.1007/bf02652704.
- Moffatt H.K. Electromagnetic stirring//Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1991. Vol. 3, no. 5. P. 1336-1343. DOI: 10.1063/1.858062.
- Denisov S., Dolgikh V., Khripchenko S., Kolesnichenko I., Nikulin I. The effect of traveling and rotating magnetic fields on the structure of aluminum alloy during its crystallization in a cylindrical crucible // Magnetohydrodynamics. 2014. Vol. 50, no. 4. P. 407-422. DOI: 10.22364/mhd.50.4.8.
- Вольдек А. Индукционные магнитогидродинамические машины с жидкометаллическим рабочим телом. Л.: Энергия, 1970. 271 с.
- Колесниченко И., Халилов Р. Экстремум зависимости напора электромагнитного насоса для жидкого металла от частоты питающего тока // Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, № 4. C. 495-506. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.38.
- Повх И.Л., Чекин Б.В. Магнитогидродинамическая сепарация. Киев: Наукова думка, 1978.148 с.
- Kolesnichenko I. Investigation of electromagnetic force action on two-phase electrically conducting media in a flat layer // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, no. 1. P. 217-222. DOI: 10.22364/mhd.
- Mamykin A., Losev G., Kolesnichenko I. Model of electromagnetic purification of liquid metal // Magnetohydrodynamics. 2021. Vol. 57, no. 1.P. 73-84.DOI: 10.22364/mhd.
- Колесниченко И.В., Мамыкин А.Д., Лосев ГЛ. Устройство для очистки расплавленного металла и электролитов от примесей. Патент РФ № 2681092 от 04.03.2019 г.
- Xu Z., Li T, Zhou Y. Continuous Removalof Nonmetallic Inclusions from Aluminum Melts by Means of Stationary Electromagnetic Field and DC Current//Metallurgical and Materials Transactions A. 2007. Vol. 38, no. 5. P. 1104-1110. DOI: 10.1007/s11661- 007-9149-y.
- Taniguchi S., Brimacombe J.K. Application of Pinch Force to the Separation of Inclusion Particles from Liquid Steel // ISIJ International. 1994. Vol. 34, no. 9. P. 722-731. DOI: 10.2355/isijinternational.34.722.
- Zhang B., Ren Z., Wu J. Continuous electromagnetic separation of inclusion from aluminum melt using alternating current // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2006. Vol. 16, no. 1. P. 33-38. DOI: 10.1016/S1003-6326(06)60006-X.
- Shu D., Sun B., Li K., Wang J., Zhou Y. Effects of Secondary Flow on the Electromagnetic Separation of Inclusions from Aluminum Melt in a Square Channel by a Solenoid // ISIJ International. 2002. Vol. 42, no. 11. P. 1241-1250. DOI: 10.2355/ isijinternational.42.1241.
- Galpin J.M., Fautrelle Y. Liquid-metal flows induced by low-frequency alternating magnetic fields // Journal of Fluid Mechanics. 1992. Vol. 239. P. 383-408. DOI: 10.1017/S0022112092004452.
- Cramer A., Galindo V., Zennaro M. Frequency dependence of an alternating magnetic field driven flow // Magnetohydrodynamics. 2015. Vol. 51, no. 1.P, 133-148.DOI: 10.22364/mhd.51.1.13.
- Umbrashko A., Baake E., Nacke B., Jakovics A. Modeling of the turbulent flow in induction furnaces // Metallurgical and Materials Transactions B. 2006. Vol. 37. P. 831-838. DOI: 10.1007/s11663-006- 0065- 0.
- Scepanskis M., Jakovics A., Baake E., Nacke B. Analysis of the oscillating behaviour of solid inclusions in induction crucible furnaces // Magnetohydrodynamics. 2012. Vol. 48, no. 4. P. 677-686. DOI: 10.22364/mhd.48.4.8.
- 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 // Вычислительная механика сплошных сред. 2014. Т. 7, №3. C. 306-316. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.30.
- Khalilov R., Kolesnichenko I., Pavlinov A., Mamykin A., Shestakov A., Frick P Thermal convection of liquid sodium in inclined cylinders // Physical Review Fluids. 2018. Vol. 3, no. 043503. DOI: 10.1103/physrevfluids.3.043503.
- Dobosz A., Plevachuk Y., Sklyarchuk V., Sokoliuk B., Gancarz T. Thermophysical properties of the liquid Ga-Sn-Zn eutectic alloy // Fluid Phase Equilibria. 2018. Vol. 465. P. 1-9. DOI: 10.1016/j.fluid.2018.03.001.
- Frick P., Mandrykin S., Eltishchev V., Kolesnichenko I. Electro-vortex flows in a cylindrical cell under axial magnetic field // Journal of Fluid Mechanics. 2022. Vol. 949, A-20. DOI: 10.1017/jfm.2022.746.
- Losev G., Kolesnichenko I. The influence of the waveguide on the quality of measurements with ultrasonic Doppler velocimetry // Flow Measurement and Instrumentation. 2020. Vol. 75, no. 101786. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2020.101786.
- Фрик П.Г., Соколов Д.Д., Степанов Р.А. Вейвлет-анализ пространственно-временной структуры физических полей // Успехи физических наук. 2022. Т 192, № 1. C. 69-99. DOI: 10.3367/UFNr.2020.10.038859.
- Васильев А.Ю., Сухановский А.Н., Фрик П.Г. Структра и динамика крупномасштабной циркуляции в турбулентной конвекции при высоких числах Прандтля // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2020. № 6. C. 42-49. DOI: 10.31857/S0568528120060134.
