Численное исследование влияния нестабильности потоков жидкого металла под воздействием бегущего магнитного поля

В проекте исследуется влияние явления нестабильности потоков проводящих жидкостей, находящихся под внешним бегущим магнитным полем, с помощью численных моделей. Целью проекта является оценка влияния нестабильностей потоков на основные характеристики МГД насосов, а также исследование их механизмов возбуждения, затухания и протекания под воздействием бегущего магнитного поля.Основными причинами возбуждения пульсаций потоков жидкости, которые рассматриваются в исследовании, являются эффект Гартмана, поперечный краевой эффект, продольный краевой эффект, затухание бегущего магнитного поля вдоль толщины канала, эффект пульсации давления двойной частотой магнитного поля, уплотнения линий давлений, Пуазейлевкие обратные потоки. Данное исследование ограничивается конструкциями МГД-насосов, используемых в металлургии.Часть работы посвящена качественному анализу поведения потоков жидкости, при различных режимах работы и конструкциях насосов, с применением числа подобия в качестве параметров исследования. Другая часть работы связана с попыткой количественного описания явления нестабильностей потоков и их классификации, используя в качестве оценочного критерия гидравлическое сопротивление. На основе этих результатов планируется разработать карты возникновения различного типа нестабильностей в индукционных плоских насосах в зависимости от отношений: электромагнитных сил к силам вязкости (число Гартмана, Ha), электромагнитных сил к силам инерции (число Старта, N), члена конвекции магнитного поля к диффузии магнитного поля (магнитное число Рейнольдса, Re), магнитной энергии к кинетической (число Альфвена, Al), силы инерции к силам вязкого трения (число Рейнольдса, Re). Особенности возникновения нестабильных потоков в металлургических установках из-за специфики эксплуатации будут рассмотрены с помощью исследования термогравитационной конвекции в канале с заранее заданными распределением температур и источниками тепла.Основным инструментом для получения результатов является численное моделирование. В основе моделирования гидродинамического поля будет лежать метод конечных объемов, а для магнитного поля – метод конечных элементов при использовании программ с открытым кодом OpenFOAM, Elmer и EOF-Library. В проекте будут рассмотрены ряд подходов по ускорению вычислительного процесса модели, такие как анализ работоспособности методов обмена данными между задачами магнитного и гидродинамического полей, возможность снижения порядка размерности модели, корректность выбора численного метода и модели турбулентности для конкретных задач. Также рассматривается вопрос о корректности идеализации моделей в «реальных» установках.Решение рассматриваемой проблемы в проекте позволит предсказывать возникновение, протекание и затухание нестабильностей, использовать новые подходы по оценке и изучению характера движения жидкого металла под воздействием БМП с помощью численного моделирования с адекватными затратами вычислительных ресурсов. Предполагается, что эти знания позволят управлять характером течений жидкого металла и, как следствие, помогут открыть новые возможности для проектирования МГД установок, предоставят новые научные идеи для решения проблем в области электрометаллургии.