СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ РАСПЛАВА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ
METHOD OF SIMULATING MELT HYDRODYNAMICS IN CASTING MOULD

Изобретение относится к моделированию гидродинамики расплава в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали.
Известен способ моделирования потоков в модели [1. Исаев О.Б., Чичкарев Е.А., Кислица В.В. и др. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали. М.: Металлургия, 2008. 376 с. См. стр.104, 105], заключающийся во введении контрастного красителя в определенные моменты времени.
Недостатком известного способа [1] является сложность количественной интерпретации полученных результатов.
Известны условия моделирования модели по образцу [2. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 287 с. См. стр.8], заключающиеся в том, что процессы в модели и образце относятся к одному классу явлений, соблюдается геометрическое подобие, определяющие критерии подобия численно равны. Для определения определяющих критериев подобия необходимо выполнение анализа размерностей входящих величин [2. См. стр.10].
Заявляемый способ моделирования гидродинамики расплава в кристаллизаторе направлен на создание высокоэффективного процесса цветной визуализации потоков жидкости непосредственно на стенке модели.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается в следующем:
1. Отсутствие необходимости введения в модели в поток жидкости контрастного красителя в определенные моменты времени.
2. Возможности наглядного установления влияния потоков жидкости на теплообмен со стенкой кристаллизатора.
Заявляемый способ моделирования характеризуется следующими существенными признаками.
Ограничительные признаки: подача воды в модель кристаллизатора со стеклянными стенками, наблюдение за процессом с использованием видеокамеры.
м
м
6
Отличительные признаки: моделирование осуществляют при дневном освещении модели кристаллизатора, на внутренней поверхности зачерненных стенок которого нанесен слой жидкокристаллического вещества холестерилэрукат, при температуре окружающей среды и стенок модели 10-15°С, при подаваемой в модель кристаллизатора воды 40-43°С, устанавливают скорость течения воды в модели кристаллизатора, равной ω=0,4-0,6 м/с, и выдерживают воду в модели кристаллизатора пока она не охладится до температуры 20-25°С, в качестве определяющего критерия подобия процесса выбирают Рейнольдс: Re=ω·l/ν, где l - длина широкой стенки модели кристаллизатора, ν - кинематическая вязкость воды, выбирают значение Рейнольдса при моделировании на воде Re=(0,16-0,36)10.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
1
Уменьшение температуры воды, подаваемой в модель кристаллизатора t<40°С, не позволяет наблюдать за изменением всей гаммы цветов нагреваемого жидкостью слоя жидких кристаллов, т.е. уменьшается эффективность наглядного влияния потоков жидкости на теплообмен со стенкой кристаллизатора.
1
С увеличением температуры воды t>43°С существует вероятность отсутствия изменения цвета слоя жидких кристаллов, т.е. отсутствует цветная визуализация потоков жидкости на стенке модели.
2
Охлаждение воды в модели кристаллизатора до значений t<20°С не позволяет в полной мере оценить влияние потоков воды на теплообмен со стенкой, в особенности нижней части модели кристаллизатора.
2
Охлаждение воды в модели до значений t>25°С не позволяет наблюдать полную картину изменения цветов жидких кристаллов.
Использование в модели в качестве жидких кристаллов холестерилэрукат с присущим ему изменением цветов в диапазоне рабочих температур 26-41°С повышает надежность процесса визуализации потоков жидкости на стенке модели и надежность работы всей модели устройства.
Сопоставление скорости течения воды в модели кристаллизатора со скоростью изменения температуры жидких кристаллов позволяет получать действительные цветовые картины жидкости в модели в данный момент времени.
м
Уменьшение средней скорости течения воды в модели ω<0,4 м/с недопустимо искажает реальную картину гидродинамики воды в модели, а соответственно и картину ее цветового изображения.
м
Увеличение средней скорости течения воды в модели ω>0,6 м/с приводит к запаздыванию во времени появления цветового изображения поведения жидкости в модели, а также к искажению реальной картины гидродинамики жидкости.
3
Уменьшение температуры окружающей среды и начальной температуры стенок модели t<10°С при моделировании процесса приводит к переохлаждению слоя жидких кристаллов на стенках модели и получению неполной цветовой картины гидродинамики воды на стенках модели в начале процесса.
3
Увеличение температуры окружающей среды и начальной температуры стенок модели t>15°С приводит к недопустимому перегреву слоя жидких кристаллов на стенках модели и получению неполной цветовой картины гидродинамики жидкости на стенках в конце процесса.
Начальная температура стенок модели кристаллизатора 10-15°С и окружающей среды, выдерживание поступающей воды температурой 40-43°С до температуры 20-25°С обеспечивают оптимальную скорость образования и изменения видимого цветового изображения.
Моделирование процесса при дневном освещении стенок модели обеспечивает дифракцию света на периодической структуре холестерика и возможность визуализации изменения цветовой картины жидких кристаллов при изменении их температуры.
м
м
Использование в качестве определяющего критерия Рейнольдса Re=ω·l/ν (где ω - скорость жидкости в модели, l - длина широкой стенки модели, ν - кинематическая вязкость жидкости) характеризует степень турбулентности струй воды и их склонность к разрушению, т.е. возможность получения на модели изображений подобных натурным.
6
Уменьшение значения Re<0,16·10 искажает реальную гидродинамическую картину воды на модели, а соответственно и ее цветовое изображение на стенках модели.
6
Увеличение значения Re>0,36·10 приводит к нерациональному увеличению скорости воды на модели и вероятности запаздывания получаемых цветных изображений струй жидкости на стенках модели.
Заявляемый способ моделирования осуществляют на модели устройства.
На фиг.1 приведен внешний вид заявляемой модели устройства, на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Модель устройства состоит из разливочной емкости 1 со стопором 2 с электрическим приводом 3, устройства 4 с отверстиями 5 для подвода воды в модель кристаллизатора 6 с парой широких 7 и парой узких стеклянных стенок 8, сужающихся к донной части модели; трубы 9 с краном 10, отражателя 11 потока воды в виде сотовых ячеек 12, коллектора 13 с патрубком 14, электрического регулятора 15 расхода воды, электрического счетчика 16 расхода воды, оптического датчика 17 уровня воды в кристаллизаторе, видеокамеры 18, подключенной к компьютеру 19. На внутренней поверхности зачерненных стенок 7 и 8 нанесен слой 20 жидкокристаллического вещества холистериэрукат. Датчик 21 уровня воды в емкости 1 совместно с регулятором 15, счетчиком 16, датчиком 17, электронагревательным устройством 22, термопарами 23 и 24 подключены в систему автоматического управления процессом.
Способ моделирования гидродинамики расплава в кристаллизаторе осуществляется следующим образом.
Через трубу 9 при открытом кране 10 осуществляется подача воды в разливочную емкость 1, закрытую стопором 2, с одновременно включенным электронагревательным устройством 22. При достижении уровня воды, контролируемого датчиком 21, и заданной температуры, контролируемой термопарой 23, системой автоматического управления процессом подается команда на включение электрического привода 3 стопора 2 с подачей воды из емкости через устройство 4 с отверстиями 5 в модель кристаллизатора 6 при закрытом электрическом регуляторе 15 расхода воды. При достижении уровня воды в модели кристаллизатора 6, соответствующем погружению в воду отверстий 5 устройства 4, контролируемом оптическим датчиком 17 уровня воды, системой автоматического управления процессом подается команда на открытие электрического регулятора 15 расхода воды, который фиксируется с помощью сигналов, поступающих от электрического счетчика расхода воды 16. После этого вода через сотовые ячейки 12 в отражателе 11 потока воды поступает в коллектор 13 с патрубком 14, а система автоматического управления процессом обеспечивает поддержание заданного уровня воды в модели кристаллизатора 6, заданной температуры воды в разливочной емкости 1 и температуры среды снаружи модели кристаллизатора по сигналам, поступающим от термопар 23 и 24. Вода, температурой 40-43°С, поступающая в модель кристаллизатора 6 со стенками температурой 14°С, приводит к нагреву слой 20 жидких кристаллов толщиной 0,03 мм на широких 7 и узких стеклянных стенках 8 и получению видимого цветного изображения, фиксируемого видеокамерой 18 и передаваемого на экран компьютера 19. Воду выдерживают в кристаллизаторе 6 до температуры 24°С.
м
н
н
н
н
м
м
м
н
м
-6
2
6
-6
2
При скорости течения жидкой стали в кристаллизаторе ω=0,1-0,23 м/с, длине широкой стенки l=1,6 м, ν=10 м/с значение критерия Рейнольдса для натурных условий Re=(0,16-0,36)10. В результате из условия Re=Re (где Re - значение критерия Рейнольдса на модели) при ω=0,4-0,6 м/с, ν=10 м/с определяется длина широких граней на модели устройства l=0,4-0,6 м.