連續(xù)鑄鋼生產(chǎn)過程中,電磁攪拌已成為改善鑄坯質量的常規(guī)裝備,木文對電磁攪拌作用下的連鑄凝固過程進行研究,是為其工藝優(yōu)化提供支撐。電磁攪拌作用下連鑄凝固過程包含有流動、傳熱、傳質及相變等諸多現(xiàn)象,其本質是一個非常復雜的多場耦合問題。數(shù)值模擬技術,是研究這一復雜問題的重要手段。本文在研究電磁攪拌中電磁場分布規(guī)律的基礎上,聯(lián)合描述連鑄坯凝固過程中流動、傳熱、傳質現(xiàn)象的動量、能量、溶質守恒控制方程,建立了電磁攪拌作用下的多場耦合數(shù)學模型,并給出了相應的求解策略。同時通過開發(fā)的相應計算程序,研究了電磁攪拌參數(shù)對連鑄坯凝固過程中的流速和溶質分布的影響規(guī)律。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)利用ANSYS建立電磁攪拌的數(shù)學模型。分別對結晶器電磁攪拌和凝固末端電磁攪拌進行了空載、瞬態(tài)和諧波分析,研究了電磁攪拌作用下連鑄坯內(nèi)磁感應強度和電磁力隨時間和空間變化的分布規(guī)律,并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了模型的正確性;(2)建立電磁場與流場的耦合模型。給出了基于連續(xù)模型的動量控制方程,電磁力以方程源項的形式參與計算,確立了磁流耦合場的數(shù)學模型,并利用基于有限體積法的改進的QUICK格式對控制方程進行了離散化處理,為方便編程,對各變量進行了編號,確定了利用PISO算法對流場進行求解;(3)建立磁場-流場-溫度場-溶質場的多場耦合模型。給出了能量和溶質守恒的控制方程,并分析了各場的控制變量間的耦合關系,給出了固相分率、滲透率和兩相區(qū)溶質濃度的耦合關系式。在(1)、(2)的基礎上建立磁場-流場-溫度場-溶質場的四場耦合模型。電磁場對流場進行單向耦合,并實現(xiàn)了 VB.NET對ANSYS的二次開發(fā)應用;流場、溫度場、溶質場進行雙向耦合順序迭代計算,各場間的耦合計算均通過節(jié)點傳遞變量信息;(4)利用自編程序耦合計算電磁攪拌作用下的宏觀傳輸模型,分析了不同電磁攪拌參數(shù)下流場的分布規(guī)律。結果表明:諧波分析的電磁力時均值是驅動鋼液流動的主要因素,因此將其作為載荷傳遞給流場;在實際應用的電流強度和頻率的范圍內(nèi),電流強度每增大100A,鑄坯內(nèi)的磁感應強度增大30mT,切片最大切向電磁力增大了 2000N/m3,相應切片的最大流速加快了 0.08m/s。而隨著電流頻率的增加,磁感應強度呈微弱減小的趨勢,連鑄坯內(nèi)的電磁力增大幅度很小,液相流速變化較小。最后與現(xiàn)場實際應用的電磁攪拌參數(shù)下連鑄坯凝固偏析質量進行對比,符合其變化規(guī)律。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TF777
【部分圖文】：

（ａ）三維圖?（ｂ）俯視圖??（ａ）?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ?ｇｒａｐｈ?（ｂ）?Ｔｏｐ?ｖｉｅｗ?ｇｒａｐｈ??圖２．１?Ｍ－ＥＭＳ兒何模型??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｈｅ?ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?Ｍ－ＥＭＳ??（５）劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量的多少將直接影響計算結果的精度和速度，要注意網(wǎng)格??量的經(jīng)型，即滿足的況下，選適的網(wǎng)。ＡＮＳＹＳ??

在電磁攪拌器線圈上加載交變電流，通以三相低頻交流電，相對的線圈中電流的相??位角相同，而相鄰線圈中的電流相位角相差２；ｒ／３，這樣就在內(nèi)腔中激發(fā)一個沿圓周呈??正弦分布的磁場。激勵電流如圖２．２。??（２．１３）??Ｉｖ?＝?ｌｍ?ｓｉｎ（ａ？／?－?２＾／３）?（２．１４）??／，？?＝?ｌｍ?ｓｉｎ（？／?＋?２＾／３）?（２．１５）??式中，人，，４，夂分別為三相線圈中的瞬時電流；／，，，為交流電源電流的幅值；？為??交流電的角頻率；ｆ為時間。??４００?ｒ?�。�?Ｉ?又—＿?ｔ?ｃ?ｒ?ｔ?：?：??３００，?？？?｜??，?，扣＇＿?，嚴＇．?－－？－Ｉ?１??２０〇＼?／?＼??Ｖ?ｙ?ｙ?Ｙ??＜１００－／＇?產(chǎn)、??ｆ?＼?ｐ?＼?／?＼?９?＼??Ｓ?ｏ乂?＼?＊?ｋ、?／?＼?爭?＼?－??魯?Ｖ＇?ｙ?ｙ?＼??－２００１：?／?＼?７?＼?／?＼??－３００＇?－??＿４００（Ｔ?５０?Ｔｏｏ?１５０?２００—＾２５０—３００＾?３５０一４００?４５０??Ｕ３ｔ／°??圖２．２三相交流電波形圖??Ｆｉｇ．?２．２?Ｔｈｅ?ｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ?ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ?ｃｕｒｒｅｎｔ??電流加載的方式是選取電流密度的加載方式，所以不但要知道加載電流的大小和頻??率，還需要知道線圈銅導線的橫截面積，見表２．１。在模型中給線圈加載電流密度時，??與ｚ軸平行方向的電流密度可以直接加載

２?＼?．，？＼?Ｘ?Ｘ?／??＼?／?／??＼?／?Ｉ?Ｆ丨丨??＼．?ｘ／／?＼?Ｕ?Ｉ?ｉ?ｌ??Ｘ?Ｘ?、＾：／？．??Ｔ?－?ｔ?－？－飛?＾Ｖ“＼．?！?Ａ?／?／／？??／?－＼?Ｉ??／?＼?／??ｘ／．?－＼Ｘ?／??ｖ２?妒丨??（ａ）感生電流示意圖?（ｂ）電磁力示意圖??（ａ）?Ｉｎｄｕｃｅｄ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｉａｇｒａｍ?（ｂ）?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｏｒｃｅ?ｄｉａｇ圖２．９感生電流－電磁力示意圖??Ｆｉｇ．?２．９?Ｔｈｅ?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｉｎｄｕｃｅｄ?ｃｕｒｒｅｎｔ?ａｎｄ?ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆ．１０為結晶器電磁攪拌卜鑄坯內(nèi)一節(jié)點的電磁力各向分量隨時間與電磁理論分析中得到的公式相一致，見公式（２．１２）。電磁攪拌電磁力，而且也產(chǎn)生隨時間變化的電磁力。通常隨時間變化的電，因此在計算中可以不考慮。??１．５￣￣ｔ?．?．???
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本文編號：2847724