感应凝壳熔炼过程温度场及流场耦合数值模拟

摘要

感应凝壳熔炼(Induction Skull Melting(ISM))是一种广泛应用于熔炼某些在熔融状态下高纯度、高熔点极活泼合金的方法，但在工业中涉及的特种合金种类繁多，价格昂贵，热物性值相差又很大，单靠试验来掌握它，不但周期长、成本极高，而且有时是危险的或不可能的。因此，有必要通过数值模拟的方法对于感应凝壳熔炼过程进行研究，以节约成本，提高效率。 本研究根据合作方哈尔滨工业大学实验所用的水冷铜坩埚与电磁感应线圈的规格尺寸建立实体模型，然后应用ANSYS<'TM>软件对ISM过程的磁场强度、电磁力和感应加热密度分布进行数值模拟。 通过编制用户自定义子程序(基于C语言)，建立了ANSYS<'TM>软件和FLUENT<'TM>软件的数据接口。将ANSYS<'TM>计算的电磁力和感应加热密度数据导入到FLUENT<'TM>中，并作为源项分别加载到动量和能量守恒方程中，最终应用FLUENT<'TM>实现了电磁场、流场和温度场的耦合计算。 通过力平衡法对感应凝壳熔炼过程的电磁搅拌驼峰进行了模拟，采用k-ε紊流模型对感应凝壳熔炼过程的流场和温度场进行了耦合模拟研究，得到了它们的分布及变化情况。 模拟研究了感应线圈加载的电流、频率、坩埚缝数、线圈位置和炉料种类对于感应凝壳熔炼过程的悬浮驼峰形状、温度场和流场的影响规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1立题背景

1.2感应凝壳熔炼技术

1.2.1组合式坩埚

1.2.2水冷铜坩埚凝壳技术

1.3国内外研究现状

1.4研究目的及内容

2感应凝壳熔炼过程电磁场模拟

2.1基本原理

2.2磁场强度计算

2.2磁场强度验证

3悬浮驼峰、电磁力和焦耳热的计算

3.1悬浮驼峰的确定

3.1.1力平衡法确定悬浮驼峰形状

3.1.2搅拌驼峰的验证

3.2电磁力计算

3.3感应加热密度计算

4感应凝壳熔炼过程温度场、流场耦合数值模拟

4.1基本模型

4.2流场模拟

4.2.1紊流模型

4.2.2流场模拟结果与分析

4.3温度场模拟

4.3.1传热模型

4.3.2边界条件

4.3.3熔化潜热处理

4.3.4温度场模拟结果与分析

5各种参数对悬浮驼峰、温度场和流场的影响

5.1安培匝

5.1.1安培匝对悬浮驼峰的影响

5.1.2安培匝对温度场的影响

5.1.3安培匝对流场的影响

5.2电流频率

5.2.1电流频率对悬浮驼峰的影响

5.2.2电流频率对温度场的影响

5.2.3电流频率对流场的影响

5.3坩埚开缝数

5.3.1坩埚开缝数对悬浮驼峰的影响

5.3.2坩埚开缝数对温度场的影响

5.3.3坩埚开缝数对流场的影响

5.4线圈位置

5.4.1线圈位置对悬浮驼峰的影响

5.4.2线圈位置对温度场的影响

5.4.3线圈位置对流场的影响

5.5炉料种类

5.5.1炉料种类对悬浮驼峰的影响

5.5.2炉料种类对温度场的影响

5.5.3炉料种类对流场的影响

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢