МГД-перемешивание тяжелой примеси вращающимся магнитным полем, создаваемым секционным кольцевым индуктором
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.2.10Ключевые слова:
секционный индуктор, вращающееся магнитное поле, магнитная гидродинамика, перемешивание примеси, многофазные среды, численное моделированиеАннотация
Эффективность процесса перемешивания двухфазной жидкости (жидкого металла с частицами примеси) в цилиндрической ячейке исследована численно с использованием двухжидкостной модели многофазной среды. Перемешивание осуществляется за счет электромагнитной силы,
которая порождается кольцевым индуктором вращающегося магнитного поля. Индуктор состоит из шести кольцевых секций, равномерно располагающихся по высоте ячейки. Каждая из секций создает независимое магнитное поле. Рассмотрены три конфигурации электромагнитной силы. Первая конфигурация соответствует сонаправленному вращению магнитных полей всех шести секций и совпадает с классическим случаем вращающегося магнитного поля. Во второй конфигурации в трех верхних кольцах генерируются магнитные поля, вращающиеся в одном направлении, а в трех нижних -- магнитные поля, тоже вращающиеся в одном направлении, но в противоположном верхним. В третей конфигурации направления вращения кольцевых магнитных полей чередуются по высоте ячейки. Введен параметр, характеризующий неоднородность распределения примеси. Показано, что наиболее эффективное перемешивание достигается во второй конфигурации. Это связано с возникновением крупномасштабного колебательного режима течения. Конфигурация однородного вращающегося магнитного поля обеспечивает наименее качественное перемешивание вследствие малой полоидальной скорости. В третьей конфигурации наблюдаются колебания параметра неоднородности распределения примеси, обусловленные хаотическим характером течения. При индукторе второй конфигурации определено оптимальное время перемешивания, при котором степень неоднородности распределения примеси оказывается наименьшей.
Скачивания
Библиографические ссылки
Moffatt H.K. Electromagnetic stirring // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1991. Vol. 3, no. 5. P. 1336–1343. DOI: 10.1063/1.858062
Jie J.C., Zou Q.C., Sun J.L., Lu Y.P.,Wang T.M., Li T.J. Separation mechanism of the primary Si phase from the hypereutectic
Al–Si alloy using a rotating magnetic field during solidification // Acta Materialia. 2014. Vol. 72. P. 57–66. DOI: 10.1016/j.actamat.2014.03.031
Murty B.S., Kori S.A., Chakraborty M.Grain refinement of aluminium and its alloys by heterogeneous nucleation and alloying // International Materials Reviews. 2002. Vol. 47, no. 1. P. 3–29. DOI: 10.1179/095066001225001049
Denisov S.,Dolgikh V., Khripchenko S., Kolesnichenko I., Nikulin L. 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
Al-Omari K., Roósz A., Rónaföldi A., Veres Z. Effect of ForcedMelt Flow on Al–Si Eutectic-AlloyMicrostructures // Crystals. 2022. Vol. 12, no. 5. 731. DOI: 10.3390/cryst12050731
Timofeev V., Pervukhin M., Vinter E., Sergeev N. Behavior of non-conducting particles in molten aluminium cast into electromagnetic molds // Magnetohydrodynamics. 2020. Vol. 56, no. 4. P. 459–472. DOI: 10.22364/mhd.56.4.10
Liu D.-d., Zhou Y.-j., Yang R., et al. Effect of electromagnetic stirring current on the mechanical properties of Cu-15Ni-8Sn alloy and its mechanism of inducing dendrite refinement and Sn distribution homogenization // Materials Today Communications. 2023. Vol. 37. 107224. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2023.107224
Grants I.,Gerbeth G. The suppression of temperature fluctuations by a rotating magnetic field in a high aspect ratio Czochralski configuration // Journal of Crystal Growth. 2007. Vol. 308, no. 2. P. 290–296. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2007.09.002
Liu H., Zeng Z.,Qiu Z., Yin L., Xiao Y. Effect of rotating magnetic field on instabilities of thermocapillary flow in a Czochralski silicon melt pool // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32, no. 10. DOI: 10.1063/5.0024416
Davidson P.A.,Hunt J.C.R. Swirling recirculating flow an a liquid-metal column generated by a rotating magnetic field // Journal of Fluid Mechanics. 1987. Vol. 185. P. 67–106. DOI: 10.1017/s0022112087003082
Kolesnichenko I., Khalilov R., Khripchenko S., Pavlinov A.MHD-stirrer for cylindrical molds of continuous casting machines fabricated aluminium alloy // Magnetohydrodynamics. 2012. Vol. 48, no. 1. P. 221–233.
Kolesnichenko I., Pavlinov A., Khalilov R. Movement of solid-liquid interface in gallium alloy under the action of rotating magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2013. Vol. 49, no. 1/2. P. 191–199. DOI: 10.22364/mhd.49.1-2.23
Räbiger D.,Eckert S.,Gerbeth G.,Franke S.,Czarske J. Flow structures arising frommelt stirring bymeans of modulated rotating magnetic fields // Magnetohydrodynamics. 2012. Vol. 48, no. 1. P. 213–220. DOI: 10.22364/mhd.48.1.24
Losev G.L., Kolesnichenko I.V., Khalilov R.I.Control of the metal crystallization process by the modulated traveling magnetic field // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1128. 012051. DOI: 10.1088/1742-6596/1128/1/012051
Nikrityuk P.A.,Ungarish M., Eckert K.,Grundmann R. Spin-up of a liquid metal flow driven by a rotating magnetic field in a finite cylinder: A numerical and an analytical study // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17, no. 6. DOI: 10.1063/1.1897323
Vogt T.,Grants I., Räbiger D., Eckert S.,Gerbeth G.On the formation of Taylor–Görtler vortices in RMF-driven spin-up flows // Experiments in Fluids. 2011. Vol. 52, no. 1. P. 1–10. DOI: 10.1007/s00348-011-1196-x
Nikrityuk P.A., Ungarish M., Eckert K., Grundmann R. Losev, G. and Shvydkiy, E. and Sokolov, I. and Pavlinov, A. and Kolesnichenko, I. // Magnetohydrodynamics. 2019. Vol. 55, no. 1/2. P. 107–114. DOI: 10.22364/mhd.55.1-2.13
Khripchenko S.Y.,Dolgikh V.M., Siraev R.R.Distribution of titanium diboride microparticles introduced into aluminum ingot by MHD-stirring of a crystallizing melt // Computational Continuum Mechanics. 2022. Vol. 15, no. 4. P. 438–448. DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.4.34
Kolesnichenko I.,Okatev R. Equalisation the toroidal and poloidal kinetic energies of liquid metal stirring flow // The European Physical Journal Plus. 2024. Vol. 139, no. 9. DOI: 10.1140/epjp/s13360-024-05629-7
Колесниченко И.В.,Мамыкин А.Д., Халилов Р.И. Электромагнитный перемешиватель жидкого металла: верификация электромагнитной части задачи // Вестник Пермского университета. Физика. 2022. № 4. C. 45–51. DOI: 10.17072/1994-3598-2022-4-45-51
Озерных В.С., Лосев Г.Л., Гольбрайх Е., Колесниченко И.В. Начальная стадия формирования вихревого течения в индукторе с вращающимися встречно магнитными полями // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 4. C. 493–503. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.4.41
Losev G.L.,Okatiev R.S.Об измерении зависимости эффективной проводимости жидких металлов с твердыми частицами от объемной доли примеси // Расплавы. 2024. № 1. C. 3–16. DOI: 10.31857/s0235010624010016
Колесниченко И.В.,Халилов Р.И.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
Нигматулин Р.И.Динамика многофазных сред. Часть I. М.: Наука, 1987. 464 с.
Ding J.,Gidaspow D.A bubbling fluidization model using kinetic theory of granular flow // AIChE Journal. 1990. Vol. 36, no. 4. P. 523–538. DOI: 10.1002/aic.690360404
Shirvanian P.A.,Calo J.M.,Hradil G.Numerical simulation of fluid–particle hydrodynamics in a rectangular spouted vessel // International Journal of Multiphase Flow. 2006. Vol. 32, no. 6. P. 739–753. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2006.02.009
Chapman S.,Cowling T.G. TheMathematical Theory of Non-uniform Gases: An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases. Cambridge University Press, 1990. 423 p.
Gidaspow D.Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Descriptions. Elsevier Science, 1994. 467 p.
Goldhirsch I. Introduction to granular temperature // Powder Technology. 2008. Vol. 182, no. 2. P. 130–136. DOI: 10.1016/j.powtec.2007.12.002
Wang J.Continuum theory for dense gas-solid flow: A state-of-the-art review // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 215. 115428. DOI: 10.1016/j.ces.2019.115428
Lun C.K.K., Savage S.B., Jeffrey D.J.,Chepurniy N.Kinetic theories for granular flow: inelastic particles in Couette flow and slightly inelastic particles in a general flowfield // Journal of Fluid Mechanics. 1984. Vol. 140. P. 223–256. DOI: 10.1017/s0022112084000586
Saffman P.G. The lift on a small sphere in a slow shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1965. Vol. 22, no. 2. P. 385–400. DOI: 10.1017/s0022112065000824
Leenov D., Kolin A. Theory of Electromagnetophoresis. I. Magnetohydrodynamic Forces Experienced by Spherical and Symmetrically Oriented Cylindrical Particles // The Journal of Chemical Physics. 1954. Vol. 22, no. 4. P. 683–688. DOI: 10.1063/1.1740149
Zhang L., Wang S.,Dong A.,Gao J.,Damoah L.N.W.Application of Electromagnetic (EM) Separation Technology to Metal Refining Processes: A Review // Metallurgical andMaterials Transactions B. 2014. Vol. 45, no. 6. P. 2153–2185. DOI: 10.1007/s11663-014-0123-y
Syamlal M., O’Brien T.J. Simulation of granular layer inversion in liquid fluidized beds // International Journal of Multiphase Flow. 1988. Vol. 14, no. 4. P. 473–481. DOI: 10.1016/0301-9322(88)90023-7
Dallavalle J.M. Micromeritics: The Technology of Fine Particles. New York: Pitman, 1948. 555 p.
Garside J., Al-Dibouni M.R. Velocity-Voidage Relationships for Fluidization and Sedimentation in Solid-Liquid Systems // Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. 1977. Vol. 16, no. 2. P. 206–214. DOI: 10.1021/i260062a008
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
Williams B.S.,Marteau D.,Gollub J.P.Mixing of a passive scalar in magnetically forced two-dimensional turbulence // Physics of Fluids. 1997. Vol. 9, no. 7. P. 2061–2080. DOI: 10.1063/1.869326
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
