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第10期 陈兴润等：环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ,1307 阻率为8.0×10-62m,铝合金熔体的电阻率为 材料穿过.图6为环缝式电磁搅拌装置中电磁力的 2.1×10-7Ωm.数值模拟计算流程图如图3所示. 分布图.由图可见，电磁力主要分布在冷却器的外 建立模型 部.这充分利用了电磁搅拌过程中的集肤效应，使 合金熔体在电磁力比较大的部位旋转运动，有利于 主要物理参数确定 实验测定 获得好的搅拌效果，而且在制浆室外尺寸相同条件 少 下，环缝使得被搅拌熔体的总量减少，便于对其凝固 网格剖分设定边界条件 少 过程进行精确控制， 加载与求解 变 修正 结果对比 数据采集 图3计算流程示意图 Fig.3 Schematic of the calculation procedure 2计算结果 2.1计算结果可靠性的验证 图5环缝式电磁搅拌装置中磁力线分布图 采用CT3型特斯拉计测量坩埚中心的磁感应 Fig.5 Distribution of magnetic flux lines 强度.测量条件：电流强度10A,频率分别取5,10， 20,30,40及50z,坩埚材质为奥氏体不锈钢，坩埚 内无铝合金熔体，不加石墨冷却器.然后把测量结 果和计算结果进行对比，如图4所示，可以看出计 算值和实测值吻合较好，验证了计算模型与软件算 法的可行性；说明利用ANSYS软件能基本描述出 环缝式电磁搅拌装置的电磁场分布状况 1.6 14 士对资 1.0 图6环缝式电磁搅拌装置中电磁力分布图 0.8 Fig.6 Distribution of electromagnetic force 0.6 2.3频率对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度的 0.4 影响 0 10 2030 40 50 频率Hz 在搅拌缝隙宽度为20mm,电流I=10A的情 况下，分别取f=5,10,20,30,40及50出，计算 图4不锈钢坩埚中心磁感应强度计算结果与实验数据的比较 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小.选取不 Fig.4 Comparison of magnetic flux density calculated and measured at the centre of the stainless steel crucible 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析，得到不 同频率下铝合金熔体沿坩埚半径方向上磁感应强度 2.2环缝式电磁搅拌装置电磁场计算结果分析 的变化如图7所示，由图可见，在半径方向上，磁感 图5是环缝宽度为20mm、搅拌电流为30A、频 应强度随频率的增大依次减小，这与任兵芝等的结 率为10z时，环缝式电磁搅拌装置中磁力线的分 果是一致的o].频率一定的情况下，冷却器所在的 布图.由图5可见，在环缝式电磁搅拌装置中，只有 区域磁感应强度变化不大，在铝合金熔体所在的区 少量磁力线穿过冷却器，这主要是因为冷却器材料 域中磁感应强度的大小变化明显，由于感应电流的 的电阻率比铝合金熔体大，磁力线选择电阻率小的 集肤效应，沿着路径方向磁感应强度依次增大，阻率为8∙0×10—6Ω·m铝合金熔体的电阻率为 2∙1×10—7Ω·m．数值模拟计算流程图如图3所示． 图3 计算流程示意图 Fig．3 Schematic of the calculation procedure 2 计算结果 2∙1 计算结果可靠性的验证 采用 CT3型特斯拉计测量坩埚中心的磁感应 强度．测量条件：电流强度10A频率分别取510 203040及50Hz坩埚材质为奥氏体不锈钢坩埚 内无铝合金熔体不加石墨冷却器．然后把测量结 果和计算结果进行对比如图4所示．可以看出计 算值和实测值吻合较好验证了计算模型与软件算 法的可行性；说明利用 ANSYS 软件能基本描述出 环缝式电磁搅拌装置的电磁场分布状况． 图4 不锈钢坩埚中心磁感应强度计算结果与实验数据的比较 Fig．4 Comparison of magnetic flux density calculated and measured at the centre of the stainless steel crucible 2∙2 环缝式电磁搅拌装置电磁场计算结果分析 图5是环缝宽度为20mm、搅拌电流为30A、频 率为10Hz 时环缝式电磁搅拌装置中磁力线的分 布图．由图5可见在环缝式电磁搅拌装置中只有 少量磁力线穿过冷却器．这主要是因为冷却器材料 的电阻率比铝合金熔体大磁力线选择电阻率小的 材料穿过．图6为环缝式电磁搅拌装置中电磁力的 分布图．由图可见电磁力主要分布在冷却器的外 部．这充分利用了电磁搅拌过程中的集肤效应使 合金熔体在电磁力比较大的部位旋转运动有利于 获得好的搅拌效果．而且在制浆室外尺寸相同条件 下环缝使得被搅拌熔体的总量减少便于对其凝固 过程进行精确控制． 图5 环缝式电磁搅拌装置中磁力线分布图 Fig．5 Distribution of magnetic flux lines 图6 环缝式电磁搅拌装置中电磁力分布图 Fig．6 Distribution of electromagnetic force 2∙3 频率对环缝式电磁搅拌装置磁感应强度的 影响 在搅拌缝隙宽度为20mm电流 I＝10A 的情 况下分别取 f ＝510203040及50Hz计算 环缝式电磁搅拌装置中磁感应强度的大小．选取不 锈钢坩埚中心到边部路径上的点进行分析得到不 同频率下铝合金熔体沿坩埚半径方向上磁感应强度 的变化如图7所示．由图可见在半径方向上磁感 应强度随频率的增大依次减小．这与任兵芝等的结 果是一致的［10］．频率一定的情况下冷却器所在的 区域磁感应强度变化不大在铝合金熔体所在的区 域中磁感应强度的大小变化明显．由于感应电流的 集肤效应沿着路径方向磁感应强度依次增大． 第10期 陈兴润等： 环缝式电磁搅拌法制备半固态浆料过程电磁场的数值模拟 ·1307·