Численное моделирование конвекции жидкого магния в аппарате восстановления титана с учетом эффективных граничных условий

Аннотация

Численно исследуется задача сопряженного теплового обмена между жидким магнием, стальной ретортой и зоной воздушного охлаждения печи реактора восстановления губчатого титана на начальных этапах производства. Неравномерность распределения тепловых потоков на боковой поверхности реторты существенно влияет на формирование конвективного турбулентного течения внутри аппарата. Правильный учет тепловых граничных условий позволит адекватно решать задачи тепломассопереноса в реакторе, не используя модельные представления о тепловых потоках на границах реторты. Задача решалась в осесимметричной нестационарной постановке с использованием k-ω SST модели турбулентности. В численном моделировании реализовано две концептуальные постановки решения задачи. Первая предполагает сквозной расчет в рамках сопряженной задачи тепло- и массопереноса, где вычисления выполняются во всех частях аппарата восстановления титана, а тепловые граничные условия ставятся на его внешних границах. Вторая модель подразумевает применение эффективного теплового граничного условия, которое прикладывается к внешней границе реторты, и при исследовании конвекции магния исключает расчеты в канале охлаждения. Первая модель в силу большей полноты является более точной, однако требует значительных вычислительных ресурсов и времени. Было показано, что модель с эффективным тепловым граничным условием при соответствующем подборе коэффициентов в нем дает результаты качественно и количественно близкие к тем, которые получаются в рамках сквозного расчета. При этом такая модель является более экономичной. В работе дана оценка возможности применения эффективного граничного условия. Изучены конвективные течения расплавленного магния в реторте при различных режимах обдува и нагрева. Показано влияние радиационной части теплового потока на формирование конвективных течений.