高频行波磁场强化低电导率液体传输的数值模拟
作者单位：钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室 Universite Grenoble Alpes 中国科学院大学材料科学与光电技术学院材料科学与光电工程中心
会议名称：《第五届全国电磁冶金与强磁场材料科学年会》
会议日期：2020年
学科分类：08[工学] 0806[工学-冶金工程] 080601[工学-冶金物理化学]
摘 要：本文通过数值建模分析了一种新型的高频行波磁场,用于驱动和搅拌弱导电液体。众所周知电磁搅拌技术在电磁冶金领域存在着广泛的应用,如合金凝固均质化、增强CET过程细化晶粒组织、加强三传过程(传热、传质和动量传输)。通常采用工频或低频的交流电,目前工业应用的电磁搅拌器的工作频率一般小于10 Hz。然而,对于低电导率液体(小于10S/m),电磁场与其耦合效果较弱,可以通过增加电磁搅拌器的工作频率至100kHz以上达到搅拌与加热效果。然而,对于熔融玻璃或氧化物甚至化工领域的电解质溶液、离子液体等液体的搅拌或驱动任务而言,由于其电导率相较于金属液(～10 S/m)低了几个数量级,所产生的洛仑兹力相当弱以至于无法实现电磁搅拌的目的。而这些弱导电液体的驱动或搅拌在相关领域里具有重要意义,如离子液体的催化工艺、晶体生长等。传统的高频磁场主要应用于感应加热,金属熔炼,一般也满足不了上述弱导电液体的电磁搅拌目标,这是因为采用高频磁场虽然可大幅度地增加弱导电液液体的趋肤深度,然而一般的中高频磁场(频率为103-106 Hz,单个线圈,非单匝)不能产生显著的运动磁场定向地驱动弱导电液体。本文介绍了一种高频行波磁场,其工作原理是由单相异步电机的原理发展而来的,采用电容-电感电路,通过配置产生驱动相和感应相双线圈结构,在圆柱体容器周围轴向上形成行波磁场,该磁场能够显著地驱动弱导电液体(～cm/s)。本文的主要工作是建立了一个多场耦合的数值模型,探究关键的操作参数对高频行波磁场的驱动效果。使用数值模拟的方法研究高频电磁搅拌器的线圈电流大小(100 A～900 A)、频率(100 kHz～400kHz)、相位差(0°～180°)以及线圈间距(40mm～120mm)对电导率为50 S/m的液体驱动的影响,从而获得最佳的电气参数配置以及线圈结构为高频电磁搅拌设备优化提供指导方向。模拟计算结果表明:在不考虑热对流影响而只考虑电磁力驱动的情况下液体速度大小的平均值与电流大小成正比,与电流频率成正比,与电流相位差成正弦函数关系,而线圈间距变化对液体速度大小的平均值无影响。