半固态浆料制备过程的热-电磁-流体数值模拟

摘要

金属材料的半固态成形是一种先进的材料加工技术，而半固态浆料的制备是其关键的一个工艺步骤。由于电磁搅拌方法的非接触性和易于控制，所以获得了广泛的应用。电磁搅拌是一个涉及到电磁场、流场和温度场的复杂时变过程，因而其工艺参数的实际测量非常困难，而数值模拟则为此提供了一种便利手段。 本文针对工业用低频旋转型电磁搅拌器，利用有限元ANSYS软件，对电磁场的麦克斯韦方程组、液态金属的连续方程、动量方程和能量方程进行了耦合计算，实现了电磁搅拌作用下浆料内的电磁场、浆料流动及其传热过程的多场模拟，分析了时变电磁场的分布形态、搅拌器电磁参数对磁感应强度、电磁力的影响。给出了典型路径上磁感应强度、电磁力的分布以及在电磁力场作用下浆料内的速度场和给定的冷却条件下的温度场分布。具体内容如下： 研究了电流频率和强度对磁感应强度和电磁力的影响，结果表明，在相同频率下，磁感应强度、电磁力随电流强度的增大而增大。磁感应强度的增大，使搅拌力增大，这有利于浆料的流动搅拌。在相同电流强度下，磁感应强度是随着频率的增大而减小，而电磁力则是随着频率的增加而增大。在给定的频率和电流条件下，磁感应强度、电磁力的空间分布特点是沿半径方向逐渐增大，其最大值出现在浆料的边缘处。由于电磁力具有空间分布，所以浆料受到剪切搅拌作用。 电磁搅拌下半固体浆料速度场的研究显示，随着铝液的温度降低，固相体积分数增加，粘度增大，浆料的流动速度降低。速度场分布呈现沿半径方向逐渐增大而后又降低的规律，这是由于假定环柱状铝液内外壁处浆料为无滑移流动所致，其流速最大值出现在环状浆料的0.8倍半径处。搅拌器电流强度和频率的增大均有利于提高搅拌速度。 电磁搅拌下半固体浆料温度场的研究表明，电磁搅拌改变了浆料中的温度分布，使浆料过热度较快消失，温度梯度减小，改变了晶核生长条件，有利于等轴晶组织的形成。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2半固态金属成形技术概述

1.2.1半固态金属成形技术的概念及特点

1.2.2半固态金属成形技术的分类

1.3半固态金属浆料的制备技术及研究进展

1.3.1半固态金属浆料的制备方法

1.3.2电磁搅拌技术的国内外发展现状

1.3.3数值模拟在电磁搅拌过程中的应用

1.4本论文研究的意义及主要内容

第2章电磁搅拌制备半固态浆料的数学建模

2.1电磁搅拌装置

2.2电磁搅拌工作原理

2.2.1电磁搅拌的工作原理及特点

2.2.2旋转磁场的产生

2.3电磁场基本理论

2.3.1电磁场的Maxwell电磁理论

2.3.2洛伦兹力公式

2.4电磁流体力学的理论分析

2.4.1电磁流体力学的基本假设

2.4.2电磁流体力学的基本方程组

2.5半固态浆料制备过程温度场分析

第3章模型的数值求解方法

3.1 ANSYS软件简介

3.1.1 ANSYS程序分析过程

3.1.2 ANSYS磁场分析

3.2ANSYS电磁场数值模拟

3.2.1电磁场数值模拟过程

3.2.2电磁场分析的命令流程序

3.3耦合有限元模拟过程

3.3.1解耦策略

3.3.2耦合方法及步骤

第4章数值模拟结果与分析

4.1数值模拟的计算条件

4.1.1模型的建立及各部分物理属性

4.1.2数值计算的初始条件和边界条件

4.2模拟中所需的铝合金半固态浆料参数的确定

4.2.1半固态浆料的固相率确定

4.2.2半固态浆料粘度的确定

4.2.3浆料制备过程结晶潜热的处理

4.2.4电磁搅拌产生的焦耳热对浆料温度场的影响

4.3磁场分布形态的研究

4.3.1相位角对磁感应强度的影响

4.3.2电流强度对磁感应强度的影响

4.3.3电流频率对磁感应强度的影响

4.4浆料内磁场模拟结果与分析

4.4.1相位角对浆料内磁感应强度、电磁力的影响

4.4.2电流强度对浆料内磁感应强度、电磁力的影响

4.4.3电流频率对浆料内磁感应强度、电磁力的影响

4.5金属浆料流动分析

4.5.1三相一极对流场分析

4.5.2粘度对流动速度的影响

4.5.3不同边界条件对浆料速度的影响

4.6电磁参数对流场分布的影响

4.6.1电流强度对流场分布的影响

4.6.2电流频率对流场分布的影响

4.7电磁搅拌过程温度场数值模拟

4.7.1冷却速度对浆料温度场的影响

4.7.2电磁搅拌对浆料温度场的作用效果

4.8本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢