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Title: Simulação do efeito do campo magnético no escoamento de metal líquido em leito poroso.
Authors: Silva, Marcos Rafael da
metadata.dc.contributor.advisor: Rodrigues, Eliana Ferreira
Souza, Henor Artur de
Keywords: Campos eletromagnéticos
Metais líquidos
Simulação computadores - simulação numérica
Solidificação - macrossegregação
Porosidade - leito poroso
Issue Date: 2021
metadata.dc.contributor.referee: Rodrigues, Eliana Ferreira
Souza, Henor Artur de
Rocha, Luiz Joaquim Cardoso
Medeiros, Eduardo Bauzer
Citation: SILVA, Marcos Rafael da. Simulação do efeito do campo magnético no escoamento de metal líquido em leito poroso. 2021. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2021.
Abstract: O efeito da introdução de um campo eletromagnético sobre um processo de solidificação de metal líquido é considerado. O objetivo é controlar o escoamento de fluido de metal líquido em um leito poroso. Na verdade, durante a solidificação de uma liga, o escoamento de fluido que se desenvolve na fronteira líquido-sólido tende a aumentar a macrossegregação, um efeito que é prejudicial à qualidade dos produtos acabados. A interação do campo eletromagnético com o processo de metal líquido parece ser um recurso promissor para modificar os campos de velocidade existentes, pois as forças eletromagnéticas induzidas proporcionam um efeito de desaceleração no escoamento do fluido. A presente análise é baseada em um modelo de simulação considerando o escoamento de estanho líquido através de um leito poroso. O estanho foi escolhido para possibilitar a comparação da presente simulação com resultados experimentais de outras fontes. O campo eletromagnético estático é imposto transversalmente ao escoamento que corre em um leito poroso de cobre ou alumina. Os resultados obtidos com o uso de uma simulação ANSYS-CFX® mostram que a imposição do campo magnético resulta em forças através do leito poroso que, por sua vez, produzem o efeito combinado de (aumento) queda de pressão e redução da velocidade superficial do metal líquido. Os resultados são caracterizados por meio dos números de Reynolds e de Hartmann, este último relacionado à razão entre as forças de Lorentz e as forças viscosas. É importante mencionar que o controle eletromagnético também tem efeito sobre o número de Reynolds, pois modifica o escoamento. Este efeito é mais perceptível quando as forças viscosas predominam sobre as forças inerciais, ou seja, para valores de Reynolds resultantes menores. Além disso, a introdução do campo magnético reduz consideravelmente os valores da energia cinética turbulenta e a taxa de dissipação da energia cinética turbulenta no leito poroso. Por ser o cobre um material condutor, os efeitos descritos são mais pronunciados para o leito poroso de cobre quando comparados com as simulações realizadas para o leito de alumina, este último um material isolante. Os resultados finais indicam que pode ser alcançada uma redução de 26% da velocidade superficial para o leito de cobre e 10% para o leito de alumina. Finalmente, deve-se mencionar que os resultados simulados forneceram boa concordância com os resultados experimentais, com um desvio inferior a 2%.
metadata.dc.description.abstracten: The effect of the introduction of an electromagnetic field upon a process of liquid metal solidification is considered. The objective is to control the liquid metal fluid flow in a porous bed. In fact, during the solidification of an alloy, the fluid flow which is developed in the liquid- solid boundary has the tendency to increase macrosegregation, an effect which is detrimental to the quality of the finished products. The interaction of the electromagnetic field with the liquid metal process seems to be a promising resource to modify the existing velocity fields, as the electromagnetic induced forces provide a slowing effect on the fluid flow. The present analysis is based on a simulation model considering a liquid tin fluid flow through a porous bed. Tin was chosen in order to make possible the comparison of the present simulation with experimental results from other sources. The static electromagnetic field is imposed transversely the fluid flow running on either a copper or alumina porous bed. The results obtained with the use of an ANSYS-CFX® simulation shows that the imposition of the magnetic field results in forces across the porous bed which in turn produce the combined effect of (increased) pressure drop and reduced liquid metal superficial velocity. The results are characterized by means of both the Reynolds and the Hartmann numbers, the latter related to the ratio of the Lorentz forces to the viscous forces. It is important to mention that the electromagnetic control has also an effect on the Reynolds number since it modifies the fluid flow. This effect is more noticeable when viscous forces predominate over inertial forces, that is, for smaller resulting Reynolds values. Furthermore, the imposition of the magnetic field considerably reduces the values of turbulent kinetic energy and the dissipation rate of turbulent kinetic energy in the porous bed. Since copper is a conductor material the described effects are more pronounced for the copper porous bed when compared with the simulations carried out for the alumina bed, the latter an insulator material. The final results indicate that a reduction of 26% of superficial velocity for the cooper bed and 10% for the alumina bed can be achieved. Finally it should be mentioned that the simulated results provided good agreement with the experimental results, with a maximum deviation of 2%.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/jspui/handle/123456789/17383
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 22/07/2021 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite a adaptação.
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