PROJEKTA NOSAUKUMS:

Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās


Projekta nosaukums: Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās

Projekta identifikācijas Nr. 1.1.1.1/18/A/108

Projekts tiek veikts Eiropas Reģionālā attīstības fonda (ERAF) darbības programmas “Izaugsme un nodarbinātība” 1.1.1. specifiskā atbalsta mērķa “Palielināt Latvijas zinātnisko institūciju pētniecisko un inovatīvo kapacitāti un spēju piesaistīt ārējo finansējumu, ieguldot cilvēkresursos un infrastruktūrā” 1.1.1.1. pasākuma “Praktiskās ievirzes pētījumi” 2. Kārtas ietvaros.

Projekta izpildes termiņš: 01.07.2019. - 30.06.2022.

Projekta zinātniskais vadītājs: Dr. fiz. Andris Jakovičs

Projekta finansējums:

Kopējais projekta finansējums ir 599 625,00 EUR  un no tā:

  • Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējums – 346583,24 EUR  apmērā;
  • valsts budžeta finansējums – 208 069,88 EUR apmērā;
  • Latvijas Universitātes un AS “LATVO” finansējums – 44 971,88 EUR apmērā.

Projekta mērķis: sekmēt energoefektīvu elektromagnētisko tehnoloģiju attīstīšanu un ieviešanu, lai samazinātu primāro energoresursu patēriņu un siltumnīcas gāzu emisiju materiālu ražošanā un atjaunojamo resursu enerģētikā.

Projekta galvenie rezultāti:

  1. oriģināli zinātniskie raksti, kas tiks iesniegti publicēšanai SCOPUS (A vai B) datubāzēs iekļautos žurnālos vai konferenču rakstu krājumos;
  2. zinātniskie raksti, kas tiks iesniegti publicēšanai žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa;
  3. tehnoloģiju tiesības – patents;
  4. tehnoloģiju tiesības – skaitliskie modeļi;
  5. citi pētījuma specifikai atbilstoši projekta rezultāti – dažādi pārskati, modelēšanas metodikas dokumentācija, metodiski apraksti, prezentācijas par iegūtajiem rezultātiem, protokoli un referāti no zinātniskajām konferencēm.

Galvenās projekta darbības rūpniecisko pētījumu ietvaros:

Lai sasniegtu projekta mērķi vispirms tiks atlasītas magnetohidrodinamisko (MHD) tehnoloģiju izpētes eksperimentālās un skaitliskās modelēšanas alternatīvās iespējas un veikta to priekšizpēte, lai izvēlētos piemērotākās pieejas, kas nodrošinās projekta rezultātu sasniegšanu. Pēc tam tiks veikta attiecīgo MHD procesu skaitliskajai modelēšanai nepieciešamo atvērtā koda programmatūras rīku (OpenFOAM, Elmer, getDP un/vai citu) modificēšana, piemērošana un tālāka attīstīšana, lai nodrošinātu adekvātu savstarpēji saistīto elektromagnētisko, hidrodinamisko, vielas un siltuma pārneses procesu atspoguļojumu, kā arī  nodrošinātu risinājumu ātrdarbību un precizitāti. Būtiska loma te būs EOF bibliotekas izmantošanai un divfāžu vides modelēšanas tehnoloģiju attīstīšanai. Līdztekus tam, skaitlisko modeļu un metožu verifikācijai tiks attīstītas arī aprēķinu pieejas un to automatizācijas iespējas, izmantojot pieejamo komerciālo modelēšanas programmatūru (ANSYS, un/vai COMSOL u.c.). Modeļi un programmas tiks pārbaudīti (verificēti) un izmantoti formulēto partikulāro MHD problēmu atrisināšanai. Paralēli tam tiks attīstītas un pilnveidotas eksperimentālās metodikas un tam nepieciešanās laboratorijas eksperimentu iespējas, lai varētu veikt izvēlētus modeļeksperimentus ar MHD plūsmām un tādējādi arī eksperimentāli verificēt izstrādātos modeļus un atvērtā koda programmatūras rīkus. Pēc šī darbu posma būs iespējams veidot kompleksus modeļus industriālu elektromagnētisko tehnoloģiju izpētei, implementējot tos atvērtā koda programmu izstrādnēs, kā arī veikt to pārbaudi izmantojot pieejamos eksperimentālos datus. Kā lietojumi, kuriem paredzēti skaitliskie pētījumi, te ir aktuāli elektromagnētiskās lentas liešanas procesi, gāzes burbuļu plūsmas vadība šķidrajā metālā izmantojot magnētisko lauku, metālu kausēšana līdzstrāvas loka krāsnī un elektrovadošu kausējumu homogenizācija, attīrīšana un reakciju intensifikācija. Būtisks uzdevums ir izanalizēt šo multifizikālo procesu mijiedarbību izstrādātajos kompleksajos modeļos un izpētīt attiecīgos nelineāros efektus. Tā rezultātā tiks veikti arī parametriskie procesu pētījumi, kas būtiski jaunu vai uzlabotu iekārtu konstruēšanai, un noteikti arī izmantojamo modeļu un aprēķinu metodiku būtiskie ierobežojumi. Veikto pētījumu rezultāti tiks atspoguļoti zinātniskajos referātos un publikācijās, tādējādi projekta izstrādnes padarot pieejamas plašam interesentu(pētnieku un inženiertehnisko speciālistu)  lokam.

 

Aktualitātes:

  • Projekta “Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās” (Nr. 1.1.1.1/18/A/108) pārskats par paveikto projekta ietvaros laika posmā no 01.07.2019 – 30.09.2019

    Šajā laika posmā projekta grupa ir paveikusi sekojošo:

    1. Projekta ietvaros notikuši zinātniskie semināri: nav noticis.
    2. Projekta dalībnieki ir devušies darba braucienos un uzstājušies ar referātu starptautiskā seminārā:

    - 30.06.2019 – 05.07.2019 projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis devās uz Franciju, lai vāktu informāciju Reimsas universitātē par MHD eksperimentālo un skaitlisko pētījumu stāvokli, metodēm un iespējām industriālu lietojumu vajadzībām projektu darbību īstenošanai. Tikās ar vadošajiem jomas ekspertiem.

    3. Šajā periodā tika īstenotas darbības nr. 1., 1.1., 1.2., 2., kurās paveikts sekojošais:

    - Tika vākta un apkopota informācija par pētāmo elektromagnētisko tehnoloģiju zinātniskās izpētes aktuālo stāvokli;

    - Tika uzsākta iegūtās informācijas analīze, lai atkasītu potenciāli perspektīvas eksperimentālo pētījumu nostādnes un metodes, kā arī skaitliskās modelēšanas pieejas turpmākajiem pētījumiem projekta ietvaros;

    Projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis
    30.09.2019

     

  • Projekta “Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās” (Nr. 1.1.1.1/18/A/108) pārskats par paveikto projekta ietvaros laika posmā no 01.10.2019 – 31.12.2019

    Šajā laika posmā projekta grupa ir paveikusi sekojošo:
    1. Projekta ietvaros notikuši zinātniskie semināri:

    13.12.2019 notika zinātniskais seminārs “Divfāžu plūsmas ar burbuļiem eksperimentālo datu apstrādes iespējas un to rezultāti”.

    2. Šajā periodā tika īstenotas darbības nr. 1., 1.1., 1.2., 2., 5. Aktivitāte 2 noslēdzas 31.12.2019. Tajās paveikts sekojošais:

    - Tika vākta un apkopota informācija par pētāmo elektromagnētisko procesu (elektrovirpuļplūsmas, gāzes burbuļu plūsmas šķidrā metālā un šķidrā metāla brīvās virsmas dinamika EM laukā) un ar tiem saistīto tehnoloģiju zinātniskās izpētes aktuālo stāvokli;

    - Tika veikta tādējādi iegūtās informācijas analīze un priekšizpēte, lai atlasītu potenciāli perspektīvos modeļus un skaitliskās modelēšanas pieejas turpmākajiem pētījumiem projekta ietvaros, kā arī eksperimentālo pētījumu metodes un nostādnes skaitliskās modelēšanas rezultātu verifikācijai;


    Projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis
    30.12.2019

  • Projekta “Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās” (Nr. 1.1.1.1/18/A/108) pārskats par paveikto projekta ietvaros laika posmā no 01.01.2020 – 31.03.2020

    Šajā laika posmā projekta grupa ir paveikusi sekojošo:

    1. Projekta ietvaros notikuši zinātniskie semināri:

    24.01.2020 notika zinātniskais seminārs “MHD burbuļu plūsma šķidrajā metālā – plūsmu kvantitatīvais raksturojums, īpašību interpretācija, izmantojot neitronu radiogrāfiju un skaitlisko modelēšanu”.

    2. Šajā periodā tika īstenotas darbības nr. 1., 1.1., 1.2., 5. Tajās paveikts sekojošais:

    - Tika vākta un apkopota informācija par pētāmo elektromagnētisko procesu (elektrovirpuļplūsmas, gāzes burbuļu plūsmas šķidrā metālā un šķidrā metāla brīvās virsmas dinamika EM laukā) un ar tiem saistīto tehnoloģiju zinātniskās izpētes aktuālo stāvokli;

    - Eksperimentālo un skaitliski iegūstamo divfāžu plūsmu attēlu apstrādes programmatūras rīku izstrāde, kas nodrošina maksimālo izšķirtspēju pētāmo procesu šķidrajos metālos kvantitatīvai analīzei trokšņaina signāla (rentgenogrāfija, neitronogrāfija) apstākļos. Atbilstošā projekta aktivitāte 5;

    - Pielāgots un pārbaudīts eksperimentālais aprīkojums testa eksperimentiem. Darbība nr. 5;

    - Iegādāts šķidrais metāls eksperimentu veikšanai.


    Projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis
    31.03.2020

  • Projekta “Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās” (Nr. 1.1.1.1/18/A/108) pārskats par paveikto projekta ietvaros laika posmā no 01.04.2020 – 30.06.2020

       Šajā laika posmā projekta grupa ir paveikusi sekojošo:
    1. Projekta ietvaros notikuši zinātniskie semināri:
    22.05.2020 notika zinātniskais seminārs, kurā prezentēti 2 referāti “MHD burbuļu plūsmu simulācijas” un “Objektu trajektoriju rekonstrukcija”.
    Veikti iepirkumi:
    Projektā iepirkts metālu sakausējums galinstāns.
    2. Šajā periodā tika īstenotas darbības nr. 1., 1.1., 1.2.,5., 6., 6.1., 6.2., 6.3. Tajās paveikts sekojošais:

    1. uzdevums - iegremdētie elektrodi (SE)
    • SE 1.1 - tika sagatavota atjaunināta MHD žurnāla raksta versija, kurā aprakstītas pieejas elektromagnētisko lauku izpētei un pirmie eksperimenti
    • SE 1.2. tiek apstrādāts pilns visu eksperimentālo, analītisko un aprēķināto (pēc ANSYS) rezultātu apraksts.
    • SE 1.3 - SEA eksperimentālās izpētes problēmas
    Tika iegūti pirmie aprēķinātie rezultāti siltuma masas nodošanas problēmas risināšanā. Tika veikts pirmais eksperiments, lai pārbaudītu sekojošās parastās eksperimentālās ierīces pamatparametrus.
    2. uzdevums - jauna fizikālās laboratorijas sagatavošana A/S LATVO
    • iepirkts jauns līdzstrāvas ģenerators (ar strāvu līdz 2000 ampēriem)
    • iepirkts sakausējums Galistāns (- 3 kg)
    Detalizēti tika izstrādāts pirmā eksperimentālā modeļa projekts kopā ar LATVO. Tas iekļauj: strāvas avotu (ģenerators), bāzes strāvas padeve eksperimentālās laboratorijas iekšienē, fizikālā modeļa vietējās strāvas padevi no pamata elektrolīnijas uz elektrodiem (gan augšpusē, gan apakšā), eksperimentēšanas darba vietu, sistēmu EIVF liela mēroga vizualizācijai uz modeļa brīvas virsmas.
    Tika izveidots pirmais eksperimentu plāns, pamatojoties uz skaitlisko pētījumu rezultātiem un personīgo pieredzi IEVF fundamentālajā jomā. Pirmais uzdevums attiecas uz EIVF modeli pie apakšējiem elektrodiem reālā līdzstrāvas EAF (līdzstrāvas elektriskā loka krāsns) modelī.
    3. uzdevums - Raksti
    COVID 19 problēmas dēļ tika atlikta plānotā konference Sankt-Pēterburgā. Raksts kopā ar Maskavas Valsts universitāti, kas iepriekš tika gatavots šai konferencei, tika paplašināts un nosūtīts uz citu zinātnes žurnālu.

    Projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis

  • Projekta “Skaitliskās modelēšanas pieeju izstrāde kompleksu multifizikālu
    mijiedarbības procesu izpētei elektromagnētiskajās šķidrā metāla tehnoloģijās” (Nr. 1.1.1.1/18/A/108) pārskats par paveikto projekta ietvaros laika posmā no 01.07.2020 – 30.09.2020

      Šajā laika posmā projekta grupa ir paveikusi sekojošo:

    1. Projekta ietvaros notikuši zinātniskie semināri:
    27.08.2020 notika zinātniskais seminārs “Gāzes burbuļu dinamikas šķidrā metālā magnētiskajā laukā izpēte ar neitronogrāfijas metodi” , kurā prezentēts referāts par sasniegumiem gāzes burbuļu plūsmas šķidrajā metālā izpēti.
    2. Projekta darbinieks J. Teličko no 9.08-14.08.2020 atradās Šveicē Paula Scherrera institūtā. Tur projekta ietvaros tika veikti eksperimenti.

    3. Šajā laika posmā ir iesniegts raksts A. Chudnovsky, Yu. Ivochkin, A. Jakovics, S. Pavlovs, I. Teplyakov, D. Vinogradov Investigations of electrovortex flows with multi electrodes power supply, kas tiks publicēts žurnālā Magnetohydrodynamics.
    Šajā periodā tika īstenotas darbības nr. 1., 1.1., 1.2.,5., 6., 6.1., 6.2., 6.3. Tajās
    paveikts sekojošais:

    Darbība nr. 5
    Praktiski noslēgusies projekta partnera AS “Latvo” eksperimentālās fizikas laboratorijas izveide. Tika instalēts elektrības kontūrs ar strāvas pievadu. Tika iegādāts un pieslēgts regulējamais līdzstrāvas ģenerators ar strāvu līdz 2000 A. Tika iegādāts GaInSn kausējums eksperimentiem ar elektrovadošo šķidrumu ar līdzstrāvas pievadu un tā ievietošanu magnētiskajā laukā.
    Tika izveidota eksperimentāla iekārta (sadarbībā ar Maskavas augstu temperatūru pētījumu institūtu) ar divu elektrodu līdzstrāvas pievadu (bifilāra shēma) galinstana (InGaSn) kausējumam. Ar mērķi atlasīt nepieciešamus materiālus eksperimentālās iekārtas izgatavošanai, izmantojot komerciālo ANSYS Maxwell skaitliskās modelēšanas rīku, tika izpētītas voltampēra raksturlīknes elektrodiem un galinstana šķidrumam, vārējot elektrodu materiālu (varš, alumīnijs, misiņš, nerūsošais tērauds un grafīts).
    Ievērojot konvekcijas un/vai starojuma siltumapmaiņu un izmantojot siltuma saglabāšanas likumu, tika novērtētas temperatūras starpības, kas izveidotajā eksperimentālajā iekārtā elektrovirpuļplūsmu pētīšanai var veidoties kausējumā vārējot elektrodu materiālus.
    Tiek gatavots kausējuma ātruma mērīšanas eksperiments, izmantojot temperatūras korelācijas metodi. Šiem mērījumiem tika aprobēts sensors, kas sastāv no diviem termopārām, kas novietoti nelielā attālumā un paredzēti tā saucamo termogrammu uzņemšanai.

    Darbība nr. 6.1.
    Zemfrekvences elektromagnētiskā lauka ierosinātu šķidrā metāla plūsmu skaitlisko modeļu validācijai tika izveidota laboratorijas mēroga sistēma, kurā šķidra metāla brīvās virsmas pacēlumu un svārstības ierosina rotējoši pastāvīgie magnēti. Tika veikta virkne eksperimentu pie dažādiem sistēmas parametriem – magnētu rotācijas frekvences un pozīcijas pret metālu, šķidrā metāla daudzuma un brīvās virsmas oksidācijas pakāpes. Tika veikti virsmas dinamikas videouzņēmumi, kas tika pārveidoti atsevišķos kadros un apstrādāti, iegūstot brīvās virsmas formu, ko var tieši salīdzināt ar aprēķiniem. Ir panākta laba brīvās virsmas formas sakritība eksperimentos un aprēķinios uz izveidoto skaitlisko modeļu bāzes.

    Darbība nr. 6.2.
    Papildus jau iepriekš veiktajām divām neitronu radiogrāfijas eksperimentu sērijām, tika tika veiktas jaunas 3 neitronu radiogrāfijas eksperimentu sērijas PSI: 2 eksperimenti uz NEUTRA stara un 1 uz ICON stara. NEUTRA eksperimentos tika turpināta minituarizētas (rezultāti pārnesami uz lielākiem, industriāli svarīgiem mērogiem) argona burbuļu šķidrajā gallijā ķēdes plūsmas sistēmas izpēte, kurā tika nosegtas vairākas sistēmas parametru telpas (Reynolds-Eotvos-Stuart bezdimensionālo parametru telpa) plaknes. Šoreiz sistēmas radiogrāfija tika veikta plašākā gāzes padeves ātruma diapazonā, kā arī pie vairākām magnētiskā lauka indukcijas vērtībām, pie kam tika izmantotas divas dažādas magnētiskā lauka orientācijas, horizontālā un vertikālā (attiecībā uz burbuļu celšanas virzienu), kurām ir atšķirīga ietekme uz burbuļu plūsmu. ICON tika veikti testa eksperimenti ar vairākas reizēs intensīvākām neitronu plūsmām (labāka signāla/trokšņa intensitātes attiecība jeb STA, bet trūkums - daudz ātrāka šķidrā metāla aktivācija), kas ļāva labāk izšķirt burbuļu formu dinamiku.

    Darbība nr. 6.3.
    Sadarbības partnera “Latvo” izveidotā eksperimentālā iekārta vispirms tika izmantota pievadītās līdzstrāvas elektriskā potenciāla, kā arī šīs līdzstrāvas magnētiska lauka mērīšanai kausējumā. Šo mērījumu rezultāti tika salīdzināti gan ar iegūto analītisko risinājumu elektriskajam potenciālam kvazi 2D gadījumā, gan arī ar skaitlisku aprēķinu ar ANSYS Maxwell rezultātiem magnētiskai indukcijai 3D gadījumā. Aprēķinu rezultāti gan kvalitatīvi, gan arī kvantitatīvi saskaņojas ar mērījumu rezultātiem. Tika sagatavots un implementēts skaitlisks modelis galinstāna plūsmas un siltuma lauka (kausējumā un elektrodos) aprēķiniem ar ANSYS Fluent komerciālu programmu. Tā mērķis ir salīdzināt kausējuma ātruma aprēķinu rezultātus ar mērījumu rezultātiem elektrovirpuļplūsmu eksperimentālajā iekārtā (aktivitāte 5), kas iegūti izmantojot temperatūru korelācijas metodi. Šis skaitliskais modelis eksperimenta ilguma noteikšanai jau tika pielietots kausējuma sildīšanas laika noteikšanai, ņemot verā kombinētu konvekcijas un starojuma siltumapmaiņu uz eksperimentālās iekārtas ārējām robežām.

    Projekta vadošais pētnieks A. Čudnovskis

AS LATVO© 2020