Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES

Авторы

  • Тимофей Олегович Карасев Пермский национальный исследовательский политехнический университет; Институт механики сплошных сред УрО РАН
  • Андрей Сергеевич Теймуразов Институт механики сплошных сред УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.30

Ключевые слова:

конвекция, турбулентность, малые числа Прандтля, жидкий металл, RANS, LES, численное моделирование, пакет программ OpenFOAM

Аннотация

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. Показано, что вычисления на основе k -ω SST модели на относительно грубых сетках (0,825 млн конечных объемов) позволяют получить данные, качественно и количественно согласующиеся с теми, что следуют из LES (Large Eddy Simulation) расчетов на подробных сетках (3,7 млн конечных объемов). При этом модель k -ε демонстрирует приемлемые результаты не во всех случаях. RANS расчеты предоставляют информацию о средних полях скорости и температуры со временем осреднения, значительно большим доступного в LES расчетах. Исследовано несколько различных конфигураций нагрева и охлаждения аппарата, включая ранее неизученные. Обнаружено, что применение k -ω SST модели делает доступными расчет динамики течения с учетом изменения условий нагрева и охлаждения аппарата в течение всего процесса, а также идентификацию одновихревых и двухвихревых крупномасштабных течений в реторте и перехода между ними, а следовательно, оценку степени влияния конвекции на протекание реакции.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

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. http://dx.doi.org/10.1209/0295-5075/109/14002">http://dx.doi.org/10.1209/0295-5075/109/14002

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. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.043503">http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevFluids.3.043503

Teimurazov A., Frick P. Thermal convection of liquid metal in a long inclined cylinder // Phys. Rev. Fluids. 2017. Vol. 2. 113501. https://doi.org/10.1103/physrevfluids.2.113501">https://doi.org/10.1103/physrevfluids.2.113501

Zwirner L., Shishkina O. Confined inclined thermal convection in low-Prandtl-number fluids // J. Fluid Mech. 2018. Vol. 850. P. 984-1008. http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2018.477">http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2018.477

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. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.32">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.32

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. http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.81.503">http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.81.503

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. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.3.30">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2014.7.3.30

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. (English version https://doi.org/10.1007/s11018-007-0163-7">https://doi.org/10.1007/s11018-007-0163-7)

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. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1291-y">https://doi.org/10.1007/s11663-018-1291-y

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. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.4.53">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2013.6.4.53

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. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.37">https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.37

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. https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012041">https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012041

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. https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012076">https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012076

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. https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012044">https://doi.org/10.1088/1757-899X/208/1/012044

Pope S.B. Turbulent flows. Cambridge University Press, 2000. 805 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511840531">https://doi.org/10.1017/CBO9780511840531

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. http://dx.doi.org/10.1017/S0022112070000691">http://dx.doi.org/10.1017/S0022112070000691

Issa R.I. Solution of the implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. 1986. Vol. 62. P. 40-65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9">https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9

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. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.01.005">https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2013.01.005

Cebeci T. Model for eddy conductivity and turbulent Prandtl number // J. Heat Tran. 1973. Vol. 95. P. 227-234. https://doi.org/10.1115/1.3450031">https://doi.org/10.1115/1.3450031

Загрузки

Опубликован

2019-12-30

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Карасев, Т. О., & Теймуразов, А. С. (2019). Моделирование турбулентной конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана в рамках подходов RANS и LES. Вычислительная механика сплошных сред, 12(4), 353-365. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.30