Simulação do efeito do campo magnético no escoamento de metal líquido em leito poroso.

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%.