Численное исследование конвекции расплавленного магния в аппарате восстановления титана
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.37Ключевые слова:
конвекция, турбулентность, малые числа Прандтля, жидкий металл, магний, металлотермическое восстановление титанаАннотация
Выполнено численное исследование структуры конвективного течения расплавленного магния в аппарате металлотермического восстановления титана при различных конфигурациях нагрева и охлаждения реторты. Математическая модель основана на уравнениях термогравитационной конвекции для однофазной среды в приближении Буссинеска. Использована неравномерная расчетная сетка с общим числом узлов 5 млн. Для учета турбулентности применен метод крупных вихрей (LES). Задача рассмотрена в трехмерной нестационарной постановке, что позволило построить мгновенные и средние характеристики процесса, проанализировать поля пульсаций скорости и температуры. Обнаружено, что стационарные осесимметричные течения реализуются при умеренных числах Грасгофа (Gr ~ 107-108), а при числах Грасгофа, соответствующих реальному процессу восстановления титана (Gr ~ 1012), имеют место нестационарные турбулентные режимы. Изучено влияние степени неоднородности тепловыделения, обусловленного реакцией восстановления титана, которая протекает в основном на поверхности магния. Проведены расчеты для двух конфигураций системы поддержания теплового режима аппарата: с работающими на полную мощность нагревателями печи и отключенными нагревателями. Выявлены принципиальные отличия структуры течения при этих способах подогрева. Получены оценки для максимальной скорости движения среды в реакторе. Установлено, что наиболее интенсивные пульсации скорости и температуры возникают в области, прилежащей к границе раздела между охлаждаемой и нагреваемой частями боковой поверхности реторты.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ahlers G., Grossmann S., Lohse D. Heat transfer and large scale dynamics in turbulent Rayleigh-Bénard convection // Rev. Mod. Phys. - 2009. - Vol. 81. - P. 503-537. DOI
2. Зайцев А.М., Семенов В.Н., Швецов Ю.Е. Математическое моделирование смешения разнотемпературных струй методом CABARET // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2013. - T. 6, № 4. - C. 430-437. DOI
3. 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. DOI
4. 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, no. 1. - 14002. DOI
5. Колесниченко И.В., Мамыкин А.Д., Павлинов А.М., Пахолков В.В., Рогожкин С.А., Фрик П.Г., Халилов Р.И., Шепелев С.Ф. Экспериментальное исследование свободной конвекции натрия в длинном цилиндре // Теплоэнергетика. - 2015. - № 6. - С. 31-39. DOI
6. Васильев А.Ю., Колесниченко И.В., Мамыкин А.Д., Фрик П.Г., Халилов Р.И. Рогожкин С.А., Пахолков В.А. Турбулентный конвективный теплообмен в наклонной трубе, заполненной натрием // ЖТФ. - 2015. - Т. 85, № 9. - С. 45-49. DOI
7. Mamykin A., Frick P., Khalilov R., Kolesnichenko I., Pakholkov V., Rogozhkin S., Vasiliev A. Turbulent convective heat transfer in an inclined tube with liquid sodium // Magnetohydrodynamics. - 2015. - Vol. 51, no. 2. - P. 329-336.
8. Гармата В.А., Гуляницкий Б.С., Крамник В.Ю., Липкес Я.М., Серяков Г.В., Сучков А.Б., Хомяков П.П. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1968. - 643 с.
9. Гармата В.А., Петрунько А.Н., Галицкий Н.В., Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. Титан. - М.: Металлургия, 1983. - 559 с.
10. 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. DOI
11. Сергеев В.В., Галицкий Н.В., Киселев В.П., Козлов В.М. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1971. - 320 с.
12. Мальшин В.М., Завадовская В.Н., Пампушко Н.А. Металлургия титана. - М.: Металлургия, 1991. - 208 с.
13. Тарунин Е.Л., Шихов В.М., Юрков Ю.С Свободная конвекция в цилиндрическом сосуде при заданном тепловом потоке на верхней границе // Учен. записки Пермского ун-та, № 327, сб. «Гидродинамика». - 1975. - № 6. - С. 85-98.
14. Зимин В.Д., Ляхов Ю.Н., Сорокин М.П. Конвекция в вертикальном цилиндре при подогреве сверху // Учен. записки Пермского ун-та, № 327, сб. «Гидродинамика». - 1975. - № 6. - С. 73-84.
15. 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. DOI
16. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. I. The basic experiment // Mon. Wea. Rev. - 1963. - Vol. 91, no. 3. - P. 99-164. DOI
17. Kolesnichenko I., Khripchenko S. Surface instability of the plane layer of conducting liquid // Magnetohydrodynamics. 2003. - Vol. 39, no. 4. - P. 427-434.
18. Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. - 1985. - Vol. 62, no. 1. - P. 40-65. DOI
19. Ferziger J.H., Peric M. Computational methods for fluid dynamics. - Berlin: Springer Verlag, 2002. - 423 p.
20. Sweby P.K. High resolution schemes using flux limiters for hyperbolic conservation laws // SIAM J. Numer. Anal. - 1984. - Vol. 21, no. 5. - P. 995-1011. DOI
21. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. - Pearson Education Limited, 2007. - 504 p.
22. Fletcher R. Conjugate gradient methods for indefinite systems // Lect. Notes Math. - 1976. - Vol. 506. - P. 73-89. DOI
23. Эйдензон М.А. Магний. - М.: Металлургия, 1969. - 352 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2015 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
