STAR CCM+案例｜电磁搅拌

本教程演示利用STAR CCM+中的磁流体模型模拟励磁线圈对熔化金属的电磁搅拌。

1 问题描述

熔化的金属被装在一个圆柱形的钢包里，钢包周围环绕着励磁线圈。流经线圈的电流会产生洛伦兹力作用在导电液体上，从而搅动金属。考虑问题具有轴对称性，因此本案例采用二维模型进行计算。

2 STAR CCM+设置

• 启动STAR CCM+并新建Simulation
• 利用菜单File > Load...加载仿真文件electromagneticStirring_start.sim

计算网格如下图所示。

2.1 定义激励线圈物理模型

• 右键选择模型树节点，点击弹出菜单项Rename… 修改节点名称为Coils

• 
  

• 选择以下物理模型
• Axisymmetric
• Steady
• Solid
• Electromagnetism
• Harmonic Balance FV Transverse Magnetic Potential
• Excitation Coil

选择完毕的模型对话框如下图所示。

• 选中节点Regions > Coils > Physics Values > Electric Current Density Magnitude > Ampere Turn ，设置其参数Number of Turns 5 ，表示线圈一共有5匝

• 如下图所示设置线圈电流为200 A

2.2 定义液态金属

• 右键选择模型树节点Continua ，点击弹出菜单项New → Physics Continuum 创建节点Liquid

• 
  

• 选择以下物理模型
• Axisymmetric
• Steady
• Liquid
• Segregated Flow
• Constant Density
• Laminar
• Electromagnetism
• Harmonic Balance FV Transverse Magnetic Potential
• Two-Way Coupled MHD
• 取消选择自动被选中的选项Eddy Current Suppression

选择完毕的模型对话框如下图所示。

• 鼠标双击模型树节点Continua > Liquid > Models > Liquid > H2O > Material Properties 打开设置对话框，如下图所示设置材料介质参数，注意需要设置电导率

• 如下图所示，指定区域Lable 的Physics Continuum 为Liquid

2.3 定义环境

• 如下图所示创建新的Continua节点，修改其名称为Void

• 定义以下物理模型
• Axisymmetric
• Steady
• Solid
• Electromagnetism
• Harmonic Balance FV Transverse Magnetic Potential

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

• 指定区域Void 的Physics Continuum为Void

• 选择节点Void > Boundaries > Outer > Physics Conditions > Magnetic Vector Potential Specification ，指定Method 为Magnetic Vector Potential Z

2.4 准备后处理对象

• 创建一个vector场景，命名为Lorentz Force ，按下图所示设置参数

• 创建Scalar场景，命名为Lorentz Force [i] ，如下图所示设置参数

• 创建vector scene，命名为Magnetic Flux Density
• 选择节点Magnetic Flux Density > Vector 1 > Vector Field ，设置Function为Magnetic Flux Density > Magnetic Flux Density Real
• 创建vector scence，命名为Fluid Velocity ，如下图所示设置参数

2.5 求解计算

• 选中模型树节点Solver > Segregated Flow ，激活属性参数Enable Enhanced Stability Treatment

• 如下图所示设置参数

• 
  

3 计算结果

• 熔液速度分布

• 磁通密度分布

• 洛伦兹力分布

• 洛伦兹力密度分布

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（完毕）