The modelling of the behaviour of solid inclusions in the EM induced recirculated turbulent flows of liquid metal

Abstract

Promocijas darbā skaitliski un eksperimentāli pētītas noslēgtas elektromagnētiski ierosinātas šķidrā metāla turbulentās plūsmas ar cietām daļiņām. Šādas plūsmas veidojas metalurģiskajās indukcijas krāsnīs. Darbā ir izveidots uz LES plūsmas aprēķina pieejas bāzēts Lagranža modelis ar paplašinātu spēku kopu inerciālo daļiņu pārneses aprakstam. Veikts eksperimentāls daļiņu koncentrācijas pētījums kvazi-stacionārā stāvoklī, izmantojot jaunu ideju: ferromagnētiskās daļiņas izmantotas kā nevadošu daļiņu fiziskais modelis šķidrajā metālā - tas ir pirmais zināmais eksperimentālais darbs cietu ieslēgumu sadalījuma analīzē elektormagnētiski ierosinātu šķidro metālu plūsmu iekšienē. Eksperiments pierāda izveidotā matemātiskā modeļa piemērotību šķidru metālu turbulento plūsmu pētīšanai. Cietu ieslēgumu uzvedība, iemaisot tos no kausējuma brīvās virsmas, darā ir pētītā dažādiem daļiņu blīvumiem un izmēriem, noteikta daļiņu kustības vispārinātā shēma, daļiņu svārstību īpašības zonā starp plūsmas pamatvirpuļiem, daļiņu aglomerēšanās uz tilpnes sienām un izpētītas citas plūsmu pārneses procesu pamatparādības šādās plūsmās. Izveidots daļiņu pārneses modeļa paplašinājums, kas apraksta to augšanu un ļauj analizēt izgulsnējumu veidošanos procesu kā plūsmas termiskā režīma izmaiņas rezultātu. Atslēgas vārdi: turbulence, daļiņas, šķidrais metāls, elektromagnētiskā indukcija, LES

The thesis presents numerical and experimental investigation of the particle laden recirculated turbulent flow of liquid metal, which is driven by electromagnetic force. The calss of such flows is typical for induction metallurgical furnaces. The LES-based Euler-Lagrange model with extended set of forces, which influence the motion of inertial forces, is proposed in the work. Experimental investigation of the particle concentration at the quasi-stationary stage is fulfilled utilizing the novel idea: ferromagnetic particles are proposed as a physical model of the non-conductive inclusions in liquid metal. This investigation is the first known experimental work for the distribution of solid inclusions in the bulk of electromagnetically driven liquid metal flows. The experiment proves the relevance of the proposed mathematical model under dilute conditions for modelling of the turbulent flows of liquid metal. The behaviour of solid inclusions admixed from the surface of melt is examined, varying density and size of the particles. The investigation clarify the general scheme of particle motion in the flow, properties of the particle oscillating behaviour between the main eddies of the flow, particle agglomeration on the wall of the vessel and other key phenomena of the transport process in the concerned flows. The particle grow extension of the transport model estimated the deposition formation process on the wall of the vessel as a result of the changes in the thermal regime of the flow. Key words: turbulence, particles, liquid metal, electromagnetic induction, LES