ŠĶIDRĀ METĀLA AR BRĪVO VIRSMU TURBULENTĀS PLŪSMAS IZPĒTE ELEKTROMAGNĒTISKAJĀ LAUKĀ
Author
Spitāns, Sergejs
Co-author
Latvijas Universitāte. Fizikas un matemātikas fakultāte
Advisor
Jakovičs, Andris
Date
2015Metadata
Show full item recordAbstract
Šajā darbā tiek pētīta elektromagnētiski (EM) ierosināta turbulenta plūsma šķidrā metālā ar brīvo virsmu. Izmantojot skaitlisko modeli ar Large Eddy Simulation (LES) turbulences aprakstu pilnā trīsdimensionālā (3D) nostādnē tiek risinātas saistītās EM un hidrodinamikas (HD) problēmas. Aprēķinātā kausējuma plūsma, brīvās virsmas forma un tās dinamika tiek salīdzināta ar analītiskajiem atrisinājumiem, citu modeļu rezultātiem un eksperimentālajiem mērījumiem indukcijas krāsnīs un EM levitācijas kausēšanas iekārtās. Tiek analizēta arī dažādu turbulences modeļu ietekme uz skaitlisko aprēķinu rezultātiem. Aprēķinos un eksperimentos ar maziem alumīnija paraugiem līdz 33 g veiksmīgi pārbaudīta inovatīva metode levitācijas kausēšanai horizontālos divu frekvenču ortoganālos EM laukos. Izmantojot izveidoto skaitlisko modeli tiek pētītas šķidrā metāla formas nestabilitātes, kas rodas divu frekvenču EM lauku mijiedarbības dēļ, kā arī ir izprojektēta eksperimentālā iekārta, kas nodrošina lielāku alumīnija paraugu EM levitācijas kausēšanu. Metodes mēroga palielināšana tiek veiksmīgi pārbaudīta levitācijas kausēšanas eksperimentos ar alumīnija paraugiem līdz 500 g un tiek novērtas tālākas levitējamo materiālu masas palielināšanas iespējas. Izmantojot skaitlisko modelēšanu, eksperimentāli novērotas levitējošu neizkusušu paraugu svārstības un nestabilitātes tiek arī izskaidrotas. In this work electromagnetically (EM) driven turbulent free surface flow of liquid metal is investigated. Coupled EM and hydrodynamic (HD) problems are solved with a three-dimensional (3D) numerical model that incorporates precise Large Eddy Simulation (LES) turbulence description. Detailed verification of the calculated flow, free surface shape and dynamics is performed by comparison to analytical solutions, predictions of other models and experimental measurements in induction furnaces and EM levitation melting installations. The impact of different turbulence models is discussed. The validity of a novel method for EM levitation melting in horizontal and orthogonal EM fields of different frequencies is confirmed by calculations and experiments with small aluminum samples up to 33 g. The developed numerical model is used to investigate instabilities of the liquid metal shape excited by the interaction of the two-frequency EM fields and to design a scaled-up experimental setup for a stable levitation melting of 500 g of aluminum. The scale-up of the method is verified by the levitation melting experiments with aluminum samples up to 500 g and the further increase of the mass is discussed. Mechanisms of experimentally observed oscillations and instabilities of solid samples in the scaled-up setup are explained using numerical simulation.