螺旋電磁場下鑄造熔煉和凝固過程多物理場耦合數值模擬.pdf

1、鑄造產品在裝備制造業(yè)中占有非常重要的地位，已被廣泛應用于多個領域。材料性能要求的提高對傳統(tǒng)鑄造行業(yè)是一次挑戰(zhàn)。電磁技術已經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象，如傳熱、流動和傳質行為，通過直接觀察方法幾乎無法獲取。因此，本論文從計算機數值模擬角度切入，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行分析討論。
　　首先，論文詳細描述了鑄造熔煉和凝固過程物理模型和數學模型，耦合分析電磁場、溫度場、流

2、動場和傳質場控制方程。(1)以Maxwell方程組為基礎，引入復矢量的“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，構建描述鑄造熔煉和凝固過程的螺旋電磁場數學模型。(2)以連續(xù)介質模型為基礎，構建描述螺旋電磁場下鑄造熔煉和凝固過程的傳熱、流動與傳質耦合數學模型，給定數值分析計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格模型基礎上，對多物理場耦合數學控制方程進行離散求解，討論數值

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)控制方程分別進行離散求解，詳細討論邊界條件，給定電磁場數值求解收斂條件。(2)采用有限差分法對傳熱與流動耦合控制方程進行離散求解，討論傳熱與傳質耦合求解中的固液相分數求解，給定溫度場數值求解收斂條件。(3)采用有限體積法對流動與傳質耦合控制方程進行離散求解，采用修正的Projection對流場進行高效求解，給定流動場數值計算的邊界和收斂條件。
　　再次，構建數值驗證和實驗

4、驗證算例，對物理場耦合數學控制方程和數值求解方法進行驗證。(1)構建螺旋電磁場數值驗證算例，將論文求解結果與 ANSYS-Maxwell軟件求解結果進行對比分析，驗證電磁場數學控制方程與數值求解算法的可靠性。(2)實施感應加熱過程實驗并構建該過程三維數值算例，將實驗結果與數值計算結果進行對比分析，驗證電磁與傳熱耦合控制方程與數值求解算法的正確性。(3)構建流動與傳質耦合Benchmark數值算例，將論文計算結果與已發(fā)表的結果進行對比，驗

5、證流動與傳質耦合控制方程與數值求解算法的正確性。
　　最后，對感應電爐熔煉過程和鑄鋼錠凝固過程進行三維電磁場、溫度場、流動場和傳質場耦合數值計算分析。(1)以Fe-1.5％C合金為研究對象，對感應電爐熔煉過程進行數值計算。分析電磁參數對電磁場、溫度場的影響規(guī)律，驗證電流的集膚效應與磁場的邊緣效應；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行數值計算。分析電磁參數對