连铸凝固过程热—流—磁—质耦合模型的研究

发布时间：2020-10-19 21:02

　　 连续铸钢生产过程中,电磁搅拌已成为改善铸坯质量的常规装备,木文对电磁搅拌作用下的连铸凝固过程进行研究,是为其工艺优化提供支撑。电磁搅拌作用下连铸凝固过程包含有流动、传热、传质及相变等诸多现象,其本质是一个非常复杂的多场耦合问题。数值模拟技术,是研究这一复杂问题的重要手段。本文在研究电磁搅拌中电磁场分布规律的基础上,联合描述连铸坯凝固过程中流动、传热、传质现象的动量、能量、溶质守恒控制方程,建立了电磁搅拌作用下的多场耦合数学模型,并给出了相应的求解策略。同时通过开发的相应计算程序,研究了电磁搅拌参数对连铸坯凝固过程中的流速和溶质分布的影响规律。本文主要研究内容如下:(1)利用ANSYS建立电磁搅拌的数学模型。分别对结晶器电磁搅拌和凝固末端电磁搅拌进行了空载、瞬态和谐波分析,研究了电磁搅拌作用下连铸坯内磁感应强度和电磁力随时间和空间变化的分布规律,并与现场实测数据进行对比,验证了模型的正确性;(2)建立电磁场与流场的耦合模型。给出了基于连续模型的动量控制方程,电磁力以方程源项的形式参与计算,确立了磁流耦合场的数学模型,并利用基于有限体积法的改进的QUICK格式对控制方程进行了离散化处理,为方便编程,对各变量进行了编号,确定了利用PISO算法对流场进行求解;(3)建立磁场-流场-温度场-溶质场的多场耦合模型。给出了能量和溶质守恒的控制方程,并分析了各场的控制变量间的耦合关系,给出了固相分率、渗透率和两相区溶质浓度的耦合关系式。在(1)、(2)的基础上建立磁场-流场-温度场-溶质场的四场耦合模型。电磁场对流场进行单向耦合,并实现了 VB.NET对ANSYS的二次开发应用;流场、温度场、溶质场进行双向耦合顺序迭代计算,各场间的耦合计算均通过节点传递变量信息;(4)利用自编程序耦合计算电磁搅拌作用下的宏观传输模型,分析了不同电磁搅拌参数下流场的分布规律。结果表明:谐波分析的电磁力时均值是驱动钢液流动的主要因素,因此将其作为载荷传递给流场;在实际应用的电流强度和频率的范围内,电流强度每增大100A,铸坯内的磁感应强度增大30mT,切片最大切向电磁力增大了 2000N/m3,相应切片的最大流速加快了 0.08m/s。而随着电流频率的增加,磁感应强度呈微弱减小的趋势,连铸坯内的电磁力增大幅度很小,液相流速变化较小。最后与现场实际应用的电磁搅拌参数下连铸坯凝固偏析质量进行对比,符合其变化规律。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF777
【部分图文】：

（ａ）三维图?（ｂ）俯视图??（ａ）?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｇｒａｐｈ?（ｂ）?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?ｇｒａｐｈ??图２．１?Ｍ－ＥＭＳ儿何模型??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｈｅ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?Ｍ－ＥＭＳ??（５）划分网格。网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和速度，要注意网格??量的经型，即满足的况下，选适的网。ＡＮＳＹＳ??

在电磁搅拌器线圈上加载交变电流，通以三相低频交流电，相对的线圈中电流的相??位角相同，而相邻线圈中的电流相位角相差２；ｒ／３，这样就在内腔中激发一个沿圆周呈??正弦分布的磁场。激励电流如图２．２。??（２．１３）??Ｉｖ?＝?ｌｍ?ｓｉｎ（ａ？／?－?２＾／３）?（２．１４）??／，？?＝?ｌｍ?ｓｉｎ（？／?＋?２＾／３）?（２．１５）??式中，人，，４，夂分别为三相线圈中的瞬时电流；／，，，为交流电源电流的幅值；？为??交流电的角频率；ｆ为时间。??４００?ｒ?！：?Ｉ?又—＿?ｔ?ｃ?ｒ?ｔ?：?：??３００，?？？?｜??，?，扣＇＿?，严＇．?－－？－Ｉ?１??２０〇＼?／?＼??Ｖ?ｙ?ｙ?Ｙ??＜１００－／＇?产、??ｆ?＼?ｐ?＼?／?＼?９?＼??Ｓ?ｏ乂?＼?＊?ｋ、?／?＼?争?＼?－??鲁?Ｖ＇?ｙ?ｙ?＼??－２００１：?／?＼?７?＼?／?＼??－３００＇?－??＿４００（Ｔ?５０?Ｔｏｏ?１５０?２００—＾２５０—３００＾?３５０一４００?４５０??Ｕ３ｔ／°??图２．２三相交流电波形图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ?ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ?ｃｕｒｒｅｎｔ??电流加载的方式是选取电流密度的加载方式，所以不但要知道加载电流的大小和频??率，还需要知道线圈铜导线的横截面积，见表２．１。在模型中给线圈加载电流密度时，??与ｚ轴平行方向的电流密度可以直接加载

２?＼?．，？＼?Ｘ?Ｘ?／??＼?／?／??＼?／?Ｉ?Ｆ丨丨??＼．?ｘ／／?＼?Ｕ?Ｉ?ｉ?ｌ??Ｘ?Ｘ?、＾：／？．??Ｔ?－?ｔ?－？－飞?＾Ｖ“＼．?！?Ａ?／?／／？??／?－＼?Ｉ??／?＼?／??ｘ／．?－＼Ｘ?／??ｖ２?妒丨??（ａ）感生电流示意图?（ｂ）电磁力示意图??（ａ）?Ｉｎｄｕｃｅｄ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｉａｇｒａｍ?（ｂ）?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｏｒｃｅ?ｄｉａｇ图２．９感生电流－电磁力示意图??Ｆｉｇ．?２．９?Ｔｈｅ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆ．１０为结晶器电磁搅拌卜铸坯内一节点的电磁力各向分量随时间与电磁理论分析中得到的公式相一致，见公式（２．１２）。电磁搅拌电磁力，而且也产生随时间变化的电磁力。通常随时间变化的电，因此在计算中可以不考虑。??１．５￣￣ｔ?．?．???
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本文编号：2847724