螺旋電磁場下鑄造熔煉和凝固過程多物理場耦合數(shù)值模擬.pdf

1、鑄造產(chǎn)品在裝備制造業(yè)中占有非常重要的地位，已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。材料性能要求的提高對傳統(tǒng)鑄造行業(yè)是一次挑戰(zhàn)。電磁技術(shù)已經(jīng)成為控制熔煉和凝固過程的重要手段之一。電磁場影響下的熔煉和凝固現(xiàn)象，如傳熱、流動和傳質(zhì)行為，通過直接觀察方法幾乎無法獲取。因此，本論文從計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬角度切入，對螺旋電磁場條件下鑄造熔煉和凝固行為多物理場耦合進(jìn)行分析討論。
　　首先，論文詳細(xì)描述了鑄造熔煉和凝固過程物理模型和數(shù)學(xué)模型，耦合分析電磁場、溫度場、流

2、動場和傳質(zhì)場控制方程。(1)以Maxwell方程組為基礎(chǔ)，引入復(fù)矢量的“A,φ-A”法，將螺旋電磁場求解全域分解為渦流場與非渦流場，構(gòu)建描述鑄造熔煉和凝固過程的螺旋電磁場數(shù)學(xué)模型。(2)以連續(xù)介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建描述螺旋電磁場下鑄造熔煉和凝固過程的傳熱、流動與傳質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型，給定數(shù)值分析計(jì)算的初始與邊界條件。
　　其次，在提出的適合有限差分和有限體積法求解的混合交錯網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，對多物理場耦合數(shù)學(xué)控制方程進(jìn)行離散求解，討論數(shù)值

3、求解流程。(1)采用有限差分法對螺旋電磁場的渦流區(qū)和非渦流區(qū)控制方程分別進(jìn)行離散求解，詳細(xì)討論邊界條件，給定電磁場數(shù)值求解收斂條件。(2)采用有限差分法對傳熱與流動耦合控制方程進(jìn)行離散求解，討論傳熱與傳質(zhì)耦合求解中的固液相分?jǐn)?shù)求解，給定溫度場數(shù)值求解收斂條件。(3)采用有限體積法對流動與傳質(zhì)耦合控制方程進(jìn)行離散求解，采用修正的Projection對流場進(jìn)行高效求解，給定流動場數(shù)值計(jì)算的邊界和收斂條件。
　　再次，構(gòu)建數(shù)值驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)

4、驗(yàn)證算例，對物理場耦合數(shù)學(xué)控制方程和數(shù)值求解方法進(jìn)行驗(yàn)證。(1)構(gòu)建螺旋電磁場數(shù)值驗(yàn)證算例，將論文求解結(jié)果與 ANSYS-Maxwell軟件求解結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證電磁場數(shù)學(xué)控制方程與數(shù)值求解算法的可靠性。(2)實(shí)施感應(yīng)加熱過程實(shí)驗(yàn)并構(gòu)建該過程三維數(shù)值算例，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證電磁與傳熱耦合控制方程與數(shù)值求解算法的正確性。(3)構(gòu)建流動與傳質(zhì)耦合Benchmark數(shù)值算例，將論文計(jì)算結(jié)果與已發(fā)表的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)

5、證流動與傳質(zhì)耦合控制方程與數(shù)值求解算法的正確性。
　　最后，對感應(yīng)電爐熔煉過程和鑄鋼錠凝固過程進(jìn)行三維電磁場、溫度場、流動場和傳質(zhì)場耦合數(shù)值計(jì)算分析。(1)以Fe-1.5％C合金為研究對象，對感應(yīng)電爐熔煉過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。分析電磁參數(shù)對電磁場、溫度場的影響規(guī)律，驗(yàn)證電流的集膚效應(yīng)與磁場的邊緣效應(yīng)；分析流動對磁熱耦合行為的影響規(guī)律。(2)以 Fe-0.8%C-0.15%Si合金為研究對象，對鑄鋼錠凝固過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。分析電磁參數(shù)對