STAR CCM+电磁搅拌流体动力学模拟

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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