Stratificētas elektromagnētiski ierosinātas plūsmas izpēte šķidrajos metālos

Abstract

Šajā promocijas darbā eksperimentāli, teorētiski un skaitliski ir pētīta stratificēta elektromagnētisko spēku ierosināta elektrovadoša šķidruma plūsma. Šāda plūsma ir sastopama orientētās kristalizācijas metodē, ko izmanto fotovoltaikas silīcija ražošanā, jo virs kušanas temperatūras silīcijam piemīt tik augsta elektriskā vadītspēja kā šķidrajiem metāliem. Ir izveidots plūsmas ar vienkāršotiem nosacījumiem analītisks modelis, kas labi apraksta ātruma atkarību no elektromagnētiskā spēka parametriem, piemēram, lauka frekvences. Vienkāršotas (divdimensionalizētas) plūsmas eksperimentālie pētījumi ļāva atrast kritiskās Reinoldsa skaitļa vērtības (atkarīgas no spēka formas), pie kurām notiek pamatplūsmas virpuļu apvienošanās. Tika izprojektēta un uzbūvēta eksperimentāla iekārta ar Vuda metālu kā darba šķidrumu, kurā tika veikti temperatūras un ātruma mērījumi. Eksperimentālie rezultāti parādīja pāreju starp trīsdimensionālu plūsmu un stratificētu plūsmu pie kritiskās Lorenca spēka vērtības. Veikto skaitlisko LES aprēķinu rezultātu 3D modelim salīdzināšana ar eksperimentālajiem datiem parādīja labu sakritību. Neskatoties uz simetrisku EM spēku sadalījumu, tika iegūts nesimetrisks, rotējošs plūsmas raksturs, šo rezultātu apstiprināja eksperiments. Tika pierādīta ātruma pulsāciju anizotropija stratificētā plūsmā, it īpaši pie lieliem Ričardsona skaitļiem, kā arī iegūta turbulentā Prandtļa skaitļa atkarība no Ričardsona skaitļa.

This thesis is devoted to experimental, theoretical, and numerical investigation of stratified electromagnetically driven liquid metal flow that is typical for directional solidification method used in growth of photo-voltaic silicon. Analytical model for description of flow under simplified conditions is derived. This model is able to predict flow velocity dependence on EM force parameters, e.g. field frequency. Experimental investigation of simplified (two-dimensionalized) flow allowed finding of critical Reynolds numbers (force shape dependent) for main flow vortex merging. Experimental setup with Wood’s metal as working liquid was designed and built; where temperature and velocity measurements are performed. In the experimental results a transition between three dimensional and stratified flow is observed at the critical Lorentz force. Large eddy simulations were validated by the experimental results. Results showed unsymmetrical, rotational flow pattern, despite symmetrical distribution of EM forces, this fact is also proved experimentally. Anisotropy of velocity pulsations was proven for stratified flow, especially at very high Richardson numbers. Turbulent Prandtl number dependence on Richardson number was found.