电磁作用下熔体非金属颗粒运动行为的数值模拟研究

本文通过数值方法，开展材料电磁净化过程的模拟，以研究铝硅合金中细小夹杂物的净化规律。从控制夹杂物运动行为的角度出发，创建多物理场耦合的数学模型，探究由旋转磁场和行波磁场组成的复合磁场对颗粒运动的作用和机理。系统研究频率、电流、屏蔽等电磁参数和倒角、Y型、锥形等分离器形状对颗粒分布的影响。从促进颗粒聚合长大的角度出发，本文开发了适用于电磁振荡条件的湍流碰撞模型、颗粒聚集区域模型和蒙特卡洛模型，研究夹杂物的碰撞聚合行为。 复合磁场模拟发现：（1）旋转磁场电磁力驱动流场水平转动，下行波电磁力分布驱动外壁向下运动，在中心形成向上束流；而复合磁场兼具两者效果。流场和阿基米德力是影响颗粒运动行为的两个主要因素。（2）电磁频率增加，磁场和力场分布改变，驱动流场运动加剧，夹杂物分离效果更加明显。电流增加，并不会影响磁场、力场和流场分布，只是在数值上比例变化，净化效果略微加强。添加电磁屏蔽，能够通过改变磁场调整电磁体积力分布，进而调整流场，控制夹杂物分布。（3）将规则圆柱分离器底部改为倒角，底部流场沿着圆弧器壁分布，底部夹杂物浓度降低。Y型分离器上部分电磁体积力大于下部分，形成较大涡流，产生低浓度区域；随着频率增加，涡流数目增加，分离器不同位置的浓度区分更加明显，有利于夹杂物分离。 电磁振荡的模拟发现：（1）电磁振荡能够有效促进金属熔体中颗粒碰撞聚合,流场呈现均匀紊乱分布；颗粒聚合主要采用湍流碰撞的形式。当电流或磁场增加，流场振荡加剧，夹杂物碰撞概率提高，聚合团簇尺寸增加，单个聚合团簇包含的颗粒数增加。（2）流场中夹杂物易停留在低流速区域，该区域浓度升高，颗粒碰撞概率增加，促进聚合团形成。随着团簇半径增加，团簇在截面内随机均匀分布，数目减少。（3）从流场能流密度、颗粒表面能两个因素，及聚合过程、分离过程两个阶段研究碰撞聚合，当流场能流密度越大，抑制颗粒聚合，促进团簇分散，颗粒细化。颗粒表面能越强，颗粒间结合越紧密，平衡状态下颗粒尺寸越大。 以上研究表明：复合磁场能够有效控制夹杂物的运动行为，比单一磁场具有更优越的净化效果。电磁振荡促使细小夹杂物碰撞聚合，同样利于熔体净化。两种电磁净化方式能有效提高合金电磁净化效率。