Перемешивание жидких металлов – ключевая операция в современной металлургии, поскольку большинство применяемых материалов представляют собой не чистые металлы, а сплавы и композиты. Получение однородного расплава без неметаллических включений – важнейшая задача. Особый интерес вызывает бесконтактное электромагнитное перемешивание. Оно позволяет, во-первых, избежать загрязнения расплава материалом механической мешалки, а во-вторых, защитить сам перемешиватель от химически агрессивной среды.
Благодаря высокой электропроводности расплава управлять течением жидкого металла можно с помощью внешнего магнитного поля. Меняя конфигурацию поля, например, подключая системы катушек к трехфазному источнику тока по специальной схеме и позволяя полю «вращаться», исследователи задают нужное направление и интенсивность потока. В этой области уже более 30 лет успешно работает Отдел физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН. Пермские учёные разработали и внедрили ряд устройств на предприятиях России и за рубежом.
Если полость, в которой необходимо перемешать металл, имеет Т-образную (грибовидную) форму, а магнитные поля в верхней и нижней секциях вращаются в противоположные стороны, возникает гораздо более сложная картина течений. В более ранних работах авторы показали, что такие вращающиеся в противоположных направлениях поля могут как улучшать перемешивание, так и порождать турбулентные режимы.
В новом исследовании ученые расширили знания о количественных критериях устойчивости и частотных характеристиках вторичных вихрей. Основные результаты:
- Линия сдвига азимутальной скорости (граница между встречно вращающимися потоками) при определённых параметрах становится неустойчивой и начинает осциллировать с низкими частотами (до 0,1 Гц).
- Вихри Тейлора–Гёртлера зарождаются в пограничном слое у стенки, если та имеет кривизну, как например, у цилиндра или сферы. Показано, что частота пульсаций, связанная с возникновением данных вихрей, растёт с увеличением интенсивности поля в верхней секции и почти не зависит от величины поля, создаваемого в нижней секции.
- Экмановские вихри (меридиональная циркуляция) переносят вихри Тейлора–Гёртлера вдоль оси, а их собственные колебания регистрируются даже в азимутальной компоненте скорости.
- Построена нейтральная кривая неустойчивости Тейлора–Гёртлера на плоскости магнитных чисел Тейлора, характеризующих интенсивность перемешивания. Она позволяет точно предсказать, при каких сочетаниях полей вихри не возникнут.
Исследование выполнено методами математического моделирования. Учёные построили детальную осесимметричную модель и провели серию вычислительных экспериментов. Такой подход позволяет существенно сэкономить время и, что особенно важно, «заглянуть» внутрь течения — определить скорость, давление и другие параметры в любой точке модели, что в реальном эксперименте с непрозрачным жидким металлом крайне затруднительно.
Полученные данные позволяют инженерам рассчитывать режимы электромагнитного перемешивания, при которых не возникает опасных для качества металла вихревых структур. Нейтральная кривая даёт чёткий критерий: если комбинация скоростей вращения магнитного поля попадает в область ниже кривой, можно гарантировать отсутствие вихрей Тейлора–Гёртлера. В экспериментах с жидкими металлами их довольно сложно зарегистрировать, поэтому данные структуры обычно ускользали из-под внимания исследователей. Однако учет их влияния может быть особенно важен при разливке крупных слитков, где однородность химического состава и температуры напрямую зависит от структуры течения. Кроме того, результаты помогут в создании жидкометаллических батарей с улучшенной гомогенизацией электродных слоёв.
Наша работа — первый шаг к пониманию того, как в одной камере при бесконтактном магнитном воздействии могут мирно уживаться сразу несколько типов вихрей. Мы намеренно использовали осесимметричное приближение, чтобы “выключить” трёхмерные волны Кельвина–Гельмгольца и сфокусироваться на более тонких механизмах. Оказалось, что даже в этой упрощённой постановке система демонстрирует богатую динамику: экмановские вихри перекачивают жидкость вдоль оси, вихри Тейлора–Гёртлера дрейфуют под действием полоидального течения, а линия сдвига между противоположно вращающимися зонами испытывает собственные низкочастотные колебания. В трёхмерном случае картина будет ещё сложнее, но теперь мы знаем, какие “кирпичики” за это отвечают,
— комментирует доктор физико-математических наук Илья Колесниченко, заведующий лабораторией технологической гидродинамики ИМСС УрО РАН, профессор Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Результаты этого исследования имеют прямое прикладное значение для разработки технологий непрерывного литья алюминиевых слитков, где критически важна однородность структуры и химического состава сплава. Понимание условий зарождения вторичных вихрей, включая вихри Тейлора–Гёртлера, позволяет инженерам целенаправленно избегать режимов перемешивания, ведущих к дефектам макроструктуры. Построенная нейтральная кривая служит практическим инструментом для настройки электромагнитных перемешивателей: зная параметры производства, можно выбрать оптимальную комбинацию электромагнитных полей для организации необходимых течений. Это особенно важно при литье крупногабаритных слитков, где даже локальная неоднородность расплава может приводить к браку всей заготовки. Внедрение полученных результатов позволит промышленности сократить долю брака и повысить качество алюминиевой продукции,
— добавляет кандидат технических наук Руслан Халилов, заместитель директора по связям с промышленностью ИМСС УрО РАН.
Результаты опубликованы в журнале European Journal of Mechanics – B/Fluids, работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (проект № 124012300246-9).
Источник: Минобрнауки России
