ANSYS對(duì)磁流體流動(dòng)的仿真分析

1、,_ 1-"r-1=1JL*ANSYS對(duì)磁流體流動(dòng)的仿真分析郭仁寧，武春曉，李銳平遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程系，遼寧阜新（123000）E-mail: wuchunxiao2005摘 要：使用傳統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)方法可以有效地對(duì)磁流體進(jìn)行數(shù)值模擬，但是該方法缺 乏直觀性，為提高對(duì)磁流體流動(dòng)狀態(tài)分析的準(zhǔn)確性和直觀性?，F(xiàn)利用ANSYS軟件對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行二維繞流流場(chǎng)分析，重點(diǎn)模擬繞流狀態(tài)流場(chǎng)速度和能量的變化，得到較理想的流場(chǎng)圖 像模擬結(jié)果，對(duì)結(jié)論分析起到了重要作用。關(guān)鍵詞：ANSYS ;磁流體；電解質(zhì)溶液；繞流 中圖分類(lèi)號(hào)：TK1. 引言磁流體作為一種新型的液體功能材料，由于它

2、特殊的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是在理論研究還是在 實(shí)際應(yīng)用上，都被人們廣泛地關(guān)注。目前磁流體的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：一是磁性流體的基礎(chǔ)研究，磁流體各種現(xiàn)象與性能的微觀機(jī)理；二是磁流體的應(yīng)用研究，主要有液體流動(dòng)控制、 研磨、潤(rùn)滑、密封、熱傳導(dǎo)、振動(dòng)、醫(yī)療、傳感器、印刷、光學(xué)儀器等。電解質(zhì)溶液能較好的模擬電磁流體在電磁場(chǎng)中的流動(dòng)現(xiàn)象。采用計(jì)算流體力學(xué)方法建 立磁流體流動(dòng)模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，但是傳統(tǒng)的數(shù)值模擬方法對(duì)流場(chǎng)的直觀性顯示比較 困難。本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)電解質(zhì)溶液流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行有限元仿真模擬，對(duì)磁流體整體流動(dòng)進(jìn)行分析和計(jì)算，并建立直觀的流場(chǎng)圖像模型。2. 電解質(zhì)溶液在電磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)模型的基本理論建立

3、流動(dòng)模型基本假設(shè)： 電流密度J和電磁通密度 B均勻分布且相互垂直； 流體為不可壓縮體，在水平放置的通道內(nèi)流動(dòng)，其重力影響可以不計(jì)； 流體的密度 p電導(dǎo)率6動(dòng)力粘度卩均為常數(shù)；流動(dòng)模型基本方程：1）電流密度方程J = oE =（r（Ed + u XB）2）電磁力密度方程fe = J XB3）連續(xù)性方程?知=也+竺+竺=0?x ?y ?z4）流體運(yùn)動(dòng)方程的矢量表達(dá)式為du2p = fe - ? P + （J? u dt流體運(yùn)動(dòng)方程組：-1-亠.1=1 NJ-AJL*LU國(guó)觀血ILJCtT口 - S "W>1?J = cE =(r(Ed +u XB) ?fe = J XB?Ux?Uy

4、?uz? ?u= _+Z?x?y?z?P著 fe-?P+"? dt由于方程中電磁參數(shù)和流體參數(shù)緊密聯(lián)系，再加上電磁和流體兩者不同的邊界和初始 條件，從而導(dǎo)致求解比較困難?？梢愿鶕?jù)實(shí)際條件，對(duì)方程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，再根據(jù)邊界 條件和初始條件求解，就可以得出電磁場(chǎng)、流場(chǎng)的分布狀況以及流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3. 圓柱繞流的仿真模擬和分析根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)ANSYS分析軟件對(duì)電解質(zhì)溶液的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，以探討其流體繞圓柱流動(dòng)的速度，能量及流場(chǎng)的分布情況23。假設(shè)模擬條件：溶液密度p=1.12 X 10 kg/m 3 ;卩=0.018 XPfeD- s ; v=2 m/s壁

5、面粗糙度可 忽略。3.1單一圓柱繞流過(guò)程的仿真模擬3TTEAW“ 4 £(M1 jtimnriau aisiJTiw mmAWiff Mfl"rm iiMInr7.Q3I I.I2QB«. ID*圖1圓柱繞流速度矢量圖Figi Vector chart of column circumferential flow velocity圖2圓柱繞流速度云圖Fig2 Cloud chart of columncircumferential flow speedwmu +1tarn imtNSWANi Mtibf 訓(xùn);41 7TM-I3iirfnwdfi*ii iM-i.r

6、nLiu 血2LII-2-#-圖3圓柱繞流能量分布圖Fig 3 Energy distribution map of column circumferential flow圖4圓柱后側(cè)速度曲線圖Fig4 Speed diagram of curves ofcolumn rear end圖1-4是對(duì)單一圓柱繞流流動(dòng)狀態(tài)的仿真模擬56。圖1、2是圓柱繞流的速度矢量圖和云圖。從圖中可以看出，在圓柱和固定壁面之間及其附近區(qū)域，流動(dòng)速度不斷增大，在圓1=1 JA1-A A*Luis觀血i上x(chóng)tr 口 ' ! 1-柱的偏后方達(dá)到最大值；由于圓柱對(duì)流動(dòng)的阻擋，流體沿著圓柱壁面流動(dòng)，并且在圓柱的 正后

7、方產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，除邊界層外，此處是速度最小的區(qū)域。在圓柱后，經(jīng)過(guò)一定距離的 流動(dòng)，流體的流動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)到正常。圖4的速度曲線圖同樣說(shuō)明，在圓柱和固定壁面之間及其附近區(qū)域，流速增大，速度曲線達(dá)到頂點(diǎn)最大值，而在圓柱的正后方，速度曲線出現(xiàn) 最低點(diǎn)。圖3是圓柱繞流能量分布圖，根據(jù)圖像顏色的變化反映出湍流能量的變化，在速 度增大的區(qū)域中，湍流能量也達(dá)到最大，在圓柱壁面處，速度變化劇烈，能量的變化也隨 之劇烈。3.2并列圓柱繞流流動(dòng)的仿真模擬ANIff 1Miff I 卄1PP tJAiHrihll圖5并列圓柱繞流矢量圖Fig 5 Vector chart of compound column circu

8、mferential flowIlMIi!Ki.M7bi9U圖6并列圓柱繞流速度云圖Fig5 Cloud chart of compound columncircumferential flow speed圖7并列圓柱繞流能量分布圖Fig 7 Energy distribution map of compoundcolumn circumferential flow圖8第一個(gè)圓柱后側(cè)速度曲線圖Fig 8 Diagram of curves of first columnrear end speed圖5-8是對(duì)并列圓柱繞流流動(dòng)狀態(tài)的仿真模擬56。從圖5, 6顯示出，同樣在兩圓柱與固定壁面之間及其

9、附近區(qū)域，流動(dòng)速度不斷增大，并且在這區(qū)域之間有一小段速度減小的 區(qū)域。但是在圖 6中可以反映出，第一個(gè)圓柱的速度增大區(qū)域比后者的略大些。同樣在兩 圓柱正后方都出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，但是在第一個(gè)圓柱后的渦流區(qū)域明顯大于后者，紊亂的程 度比較強(qiáng)烈。在其后流動(dòng)恢復(fù)正常的距離要長(zhǎng)。在能量分布圖中，同樣反映出在第一個(gè)圓 柱的能量變化強(qiáng)度比后者強(qiáng)烈些，而速度曲線圖去單一圓柱時(shí)相似。4. 結(jié)論（1 ）在圓柱和固定壁面之間及其附近區(qū)域，出現(xiàn)流速增大區(qū)域，并出現(xiàn)最大值；由于圓柱-3-1=9 HU-AA*UJ 國(guó) SS It 3C對(duì)流動(dòng)的阻擋，在圓柱的正后方產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。(2) 在圓柱壁面及附近的固定壁面處出現(xiàn)紊流能量

10、強(qiáng)烈變化區(qū)域。(3) 由于并列圓柱對(duì)流動(dòng)阻礙作用的增強(qiáng)，流動(dòng)出現(xiàn)更強(qiáng)烈的紊亂，并且在第一個(gè)圓柱后 的渦流區(qū)域明顯大于后者，紊亂的程度比較強(qiáng)烈。本次利用ANSYS軟件對(duì)電解質(zhì)溶液流動(dòng)進(jìn)行的二維繞流流場(chǎng)分析，重點(diǎn)模擬了速度和 能量的變化。為改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和提高結(jié)論分析的準(zhǔn)確性提供了有力的幫助。參考文獻(xiàn)1 劉順隆.計(jì)算流體力學(xué)M，哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998.2 劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYSM，北京：清華大學(xué)出版社，2002.3 龔曙光.ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例解析M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.4 Myung-man Kim, Andrew L Zydney. Effect of Elect

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12、Interface Science, 2000, 225(1): 39-46ANSYS Inc.ANSYS/FLOTRAN計(jì)算流體力學(xué)分析指南Z，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處ANSYS to simulation analysis of magnetic fluid flowingGuo Renning, Wu Chun xiao, Li Ruip ingEn ergy and power engin eeri ng departme nt of mecha ni cal engin eeri ng college, Lia oning Tech nicalUn iversity, Fuxi

13、n, Liao ning (123000)AbstractThe traditi on method of computati on hydromecha nics can effectively carry on the value simulati on to the magnetic fluid, but this method lacks intuitivism. To enhance the accuracy and intuitive of the magnetic fluid flow analysis. Now, using the ANSYS software to analysis the two-dimensional circumferential flow field. The key of simulation is the speed and energy change of circumferential flow field, to get the ideal image result of