Пермские ученые впервые описали три типа вторичных вихрей в жидком металле
Ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (филиала Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН) впервые детально исследовали сложные режимы течения жидкого металла в двухсекционной цилиндрической ячейке под действием встречно вращающихся магнитных полей.
Перемешивание жидких металлов — ключевая операция в современной металлургии, поскольку большинство применяемых материалов представляют собой не чистые металлы, а сплавы и композиты. Важнейшая задача — получение однородного расплава без неметаллических включений.
Для ее решения, по мнению ученых, наиболее перспективный — метод бесконтактного электромагнитного перемешивания. Он 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 более ранних работах авторы показали, что при перемешивании металла в Т-образной (грибовидной) полости магнитные поля в верхней и нижней секциях вращаются в противоположные стороны и возникает гораздо более сложная картина течений. Такие течения могут как улучшать перемешивание, так и порождать турбулентные режимы.
В новом исследовании ученые расширили знания о количественных критериях устойчивости и частотных характеристиках вторичных вихрей. Авторы 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.
«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» трехмерные волны Кельвина–Гельмгольца и сфокусироваться на более тонких механизмах. Оказалось, что даже в этой упрощенной 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 трехмерном случае картина будет еще сложнее, но теперь мы знаем, какие «кирпичики» за это отвечают», — рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией технологической гидродинамики ИМСС УрО РАН, профессор Пермского национального исследовательского политехнического университета, доктор физико-математических наук Илья Колесниченко.
По словам ученых, полученные результаты имеют прямое прикладное значение для разработки технологий непрерывного литья алюминиевых слитков, где критически важна однородность структуры и химического состава сплава. Внедрение полученных результатов позволит промышленности сократить долю брака и повысить качество алюминиевой продукции.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.