Pēta metālu maisīšanu ar pastāvīgajiem magnētiem: doktoranta Didža Bereņa pieredze

Pateicoties savai centībai un dedzīgajai interesei, LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes (FMOF) doktorants Didzis Berenis ir ieguvis LU fonda administrēto "Mikrotīkls" stipendiju doktorantiem eksakto un medicīnas zinātņu jomā, lai izpētītu rotējošu pastāvīgo magnētu maisītāju ierosinātā šķidra metāla plūsmu 20 tonnu alumīnija krāsnīs. Kā skaidro jaunais pētnieks, magnetohidrodinamikas (MHD) un turbulentu plūsmu pētījumiem ir jau sena vēsture, taču to aprēķini industriāliem mērķiem sagādā grūtības, pat strādājot ar jaudīgiem datoriem.

Didzis promocijas darbu izstrādā LU Fizikas institūta Magnētiskās hidrodinamikas tehnoloģiju laboratorijā fizikas doktora Ilmāra Granta vadībā. Institūtā ir izstrādātas pasaulē pieprasītas industriālas rotējošu pastāvīgo magnētu MHD iekārtas, tostarp, sūkņi, maisītāji, sildītāji, kurām nepieciešams aprēķināt plūsmas pielietojumiem rūpniecībā. Didzis turpina strādāt pie fizikas doktora Toma Beinerta (attēlā apakšā) savulaik izstrādātajiem šķidru metālu maisītājiem ar rotējošiem pastāvīgajiem magnētiem, pētot kādas plūsmas rada šie maisītāji.

"Aicinu studentus un skolēnus interesēties par pētniecības iespējām LU Fizikas institūtā un jau laikus apgūt pētnieka prasmes!" uzsver Didzis un labprāt skaidro sava pētījuma būtību un potenciālu nākotnē.

Pastāsti vairāk par savu pētniecisko darbu!

Magnētiskajai hidrodinamikai ir liela nozīme metalurģijā un iekārtu dzesēšanā ar šķidrajiem metāliem, kur magnētiskie spēki ierosina šķidra metāla plūsmu. Mana pētījuma mērķis – pastāvīgo magnētu maisītāju ierosinātās plūsmas apraksts vairāku tonnu alumīnija krāsnīs. Procesi ir multifizikāli, un lielo iekārtu izmēru dēļ nav iespējams veikt plūsmas aprēķinus ar precīzām skaitliskajām metodēm – nepieciešams piemeklēt atbilstošu aprēķinu modeli.

Lai aprēķinātu MHD plūsmas, vispirms ir jāzina, kāds spēks darbojas uz šķidrumu. Lielu priekšrocību sniedz iespēja iegūt analītisku izteiksmi kāda fizikāla procesa, piemēram, inducētā spēka aprakstam. Tā ļauj pārliecināties par skaitlisko modeļu pareizību, kā arī atvieglo turpmākos aprēķinus. Ja magnētiskā lauka izteiksme ap rotējošu pastāvīgo magnētu ir zināma, tad var izrēķināt strāvas, kas rodas šķidrajā metālā, un līdz ar to uz šķidrumu darbojošos spēku.

Magnētiskā lauka izteiksme cilindra formas magnētam ir iegūta tikai pavisam nesen, un, uz to balstoties, ir iegūts viens no pirmajiem pētījuma rezultātiem – izteiksme spēkam, kas rada plūsmas cilindra un gredzena formas traukos ar šķidru metālu. Tiesa, nav ņemts vērā, ka šķidrā metāla plūsma arī rada strāvas, kurām magnētiskā lauka klātbūtnē ir plūsmu bremzējoša ietekme. Mijiedarbība starp elektromagnētismu un hidrodinamiku ir viens no izaicinājumiem, ar kuriem sastopos savā pētījumā. Taču daudz vairāk sarežģījumu rada turbulence, kas var būtiski atšķirties atkarībā no situācijas.

Ko līdz šim esi paveicis?

Pusotra gada laikā, kopš uzsāku doktora studijas, esmu apguvis vērtīgas prasmes plūsmu datormodelēšanā. Par pirmo lielo doktorantūras uzdevumu, kuru varēju pārbaudīt arī eksperimentāli laboratorijā, izvēlējos skaitliski aprēķināt pastāvīgo magnētu maisītāja ierosināto šķidra metāla plūsmu cilindriskā traukā un piemeklēt atbilstošu turbulences modeli. Paralēli tam arī turpināju analītiskos aprēķinus – pielietojot doktorantūras sākumā iegūto spēka izteiksmi, izdevās iegūt arī matemātisku formulu plūsmas aprakstam .

Lai arī konkrētās plūsmas aprēķins cilindrā ir sarežģīts uzdevums, rezultējošā plūsma ir laikā nemainīga, un tas atvieglo gan analītiskos, gan skaitliskos aprēķinus. Taču pēc jau paveiktā esmu gatavs arī sarežģītākajam uzdevumam – veikt aprēķinus un izpētīt laikā mainīgās plūsmas, kādas sastopamas alumīnija pārkausēšanas krāsnīs.

Kāpēc, tavuprāt, ir svarīgi atbalstīt jaunos pētniekus?

LU fonda administrētā stipendija man, galvenokārt, devusi finansiālu stabilitāti un drošības sajūtu. Varu koncentrēties darbam, nemeklējot un nedomājot par papildus darba iespējām. Darbojoties pētniecībā, rezultātu iegūšanai patērētais laiks bieži vien mērāms gados, nevis nedēļās vai mēnešos. Jaunam pētniekam var būt grūtības uzreiz pilnvērtīgi pievienoties nopietnam pētījumam un var nepietikt ar iepriekšējās studijās iegūtajām zināšanām, kā arī nākas daudz apgūt pašam. Tādā situācijā atbalsts tiešām ir svarīgs un var palīdzēt uzsākt pētnieka karjeru.

Par Latvijas Universitātes fondu

Jau kopš 2004. gada LU fonds nodrošina iespēju mecenātiem un sadarbības partneriem atbalstīt gan LU, gan citas vadošās Latvijas augstskolas, tā investējot Latvijas nākotnē. LU fonda prioritātes ir atbalstīt izcilākos studentus un pētniekus, veicināt modernas mācību vides izveidi, kā arī universitātes ēku būvi un rekonstrukciju.

Par Latvijas Universitātes Fizikas institūtu

LU Fizikas institūts (FI) ir viens no pasaules vadošajiem centriem magnetohidrodinamikas jomā ar unikālām šķidro metālu eksperimentālām iekārtām. Institūtā tiek veikti gan fundamentālie, gan lietišķie pētījumi, kas ir saistīti ar sarežģītām elektromagnētisko lauku un šķidro metālu mijiedarbībām. Šie procesi ir nozīmīgi tādās nozarēs kā kodolenerģētika, metalurģija, pusvadītāju kristālu audzēšana, kā arī medicīnā un nanotehnoloģijās. Viens no nozīmīgākajiem LU FI sasniegumiem ir pasaulē pirmais MHD dinamo eksperiments.