ANSYS对磁流体流动的仿真分析

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ANSYS对磁流体流动的仿真分析

郭仁宁，武春晓，李锐平

辽宁工程技术大学机械工程学院能源与动力工程系，辽宁阜新（123000）

E-mail：wuchunxiao2005@126.com

摘 要：使用传统的计算流体力学方法可以有效地对磁流体进行数值模拟，但是该方法缺乏直观性，为提高对磁流体流动状态分析的准确性和直观性。现利用ANSYS软件对其流动进行二维绕流流场分析，重点模拟绕流状态流场速度和能量的变化，得到较理想的流场图像模拟结果，对结论分析起到了重要作用。 关键词：ANSYS；磁流体；电解质溶液；绕流 中图分类号：TK

1. 引言

磁流体作为一种新型的液体功能材料，由于它特殊的优点，无论是在理论研究还是在实际应用上，都被人们广泛地关注。目前磁流体的发展主要有两个方向:一是磁性流体的基础研究，磁流体各种现象与性能的微观机理;二是磁流体的应用研究，主要有液体流动控制、研磨、润滑、密封、热传导、振动、医疗、传感器、印刷、光学仪器等。

电解质溶液能较好的模拟电磁流体在电磁场中的流动现象。采用计算流体力学方法建立磁流体流动模型，并进行数值模拟，但是传统的数值模拟方法对流场的直观性显示比较困难。本文运用ANSYS软件对电解质溶液流动状态进行有限元仿真模拟，对磁流体整体流动进行分析和计算，并建立直观的流场图像模型。

2. 电解质溶液在电磁场下运动的流动模型的基本理论

建立流动模型基本假设[1]：

①电流密度J和电磁通密度B均匀分布且相互垂直；

②流体为不可压缩体，在水平放置的通道内流动，其重力影响可以不计； ③流体的密度ρ、电导率σ、动力粘度µ均为常数； 流动模型基本方程： l)电流密度方程

J=σE=σ(Ed+u×B) 2)电磁力密度方程

fe=J×B 3)连续性方程

∇⋅u=∂ux+∂uy+∂uz=0

∂x

∂y

∂z

4)流体运动方程的矢量表达式为

du

=fe−∇P+µ∇2u dt

流体运动方程组：

ρ-1-

⎧J=σE=σ(Ed+u×B)⎪f=J×B⎪e

⎪

∂ux∂uy∂uz

⎨∇⋅u=++=0

∂x∂y∂z⎪

⎪du⎪ρ=fe−∇P+µ∇2u⎩dt

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由于方程中电磁参数和流体参数紧密联系，再加上电磁和流体两者不同的边界和初始条件，从而导致求解比较困难。可以根据实际条件，对方程进行必要的简化，再根据边界条件和初始条件求解，就可以得出电磁场、流场的分布状况以及流体的运动规律。

3. 圆柱绕流的仿真模拟和分析

根据计算流体力学理论建立的数学模型，通过ANSYS分析软件对电解质溶液的流动状态进行仿真模拟[4]，以探讨其流体绕圆柱流动的速度，能量及流场的分布情况[2][3]。

假设模拟条件: 溶液密度ρ=1.12×103 kg/m3 ; µ=0.018×10-3 Pa·s ; v=2 m/s ; 壁面粗糙度可忽略。

3.1单一圆柱绕流过程的仿真模拟

图1圆柱绕流速度矢量图 图2圆柱绕流速度云图

Fig1 Vector chart of column Fig2 Cloud chart of column circumferential flow velocity circumferential flow speed

图3圆柱绕流能量分布图 图4圆柱后侧速度曲线图 Fig 3 Energy distribution map of Fig 4 Speed diagram of curves of column circumferential flow column rear end

图1-4是对单一圆柱绕流流动状态的仿真模拟[5][6]。图1、2是圆柱绕流的速度矢量图和

云图。从图中可以看出，在圆柱和固定壁面之间及其附近区域，流动速度不断增大，在圆

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柱的偏后方达到最大值；由于圆柱对流动的阻挡，流体沿着圆柱壁面流动，并且在圆柱的正后方产生涡流现象，除边界层外，此处是速度最小的区域。在圆柱后，经过一定距离的流动，流体的流动状态恢复到正常。图4的速度曲线图同样说明，在圆柱和固定壁面之间及其附近区域，流速增大，速度曲线达到顶点最大值，而在圆柱的正后方，速度曲线出现最低点。图3是圆柱绕流能量分布图，根据图像颜色的变化反映出湍流能量的变化，在速度增大的区域中，湍流能量也达到最大，在圆柱壁面处，速度变化剧烈，能量的变化也随之剧烈。

3.2并列圆柱绕流流动的仿真模拟

图5并列圆柱绕流矢量图 图6并列圆柱绕流速度云图 Fig 5 Vector chart of compound column Fig 5 Cloud chart of compound column circumferential flow circumferential flow speed

图7并列圆柱绕流能量分布图 图8第一个圆柱后侧速度曲线图 Fig 7 Energy distribution map of compound Fig 8 Diagram of curves of first column column circumferential flow rear end speed

图5-8是对并列圆柱绕流流动状态的仿真模拟[5][6]。从图5，6显示出，同样在两圆柱与固定壁面之间及其附近区域，流动速度不断增大，并且在这区域之间有一小段速度减小的区域。但是在图6中可以反映出，第一个圆柱的速度增大区域比后者的略大些。同样在两圆柱正后方都出现了涡流现象，但是在第一个圆柱后的涡流区域明显大于后者，紊乱的程度比较强烈。在其后流动恢复正常的距离要长。在能量分布图中，同样反映出在第一个圆柱的能量变化强度比后者强烈些，而速度曲线图去单一圆柱时相似。

4. 结论

（1）在圆柱和固定壁面之间及其附近区域，出现流速增大区域，并出现最大值；由于圆柱

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对流动的阻挡，在圆柱的正后方产生涡流现象。

（2）在圆柱壁面及附近的固定壁面处出现紊流能量强烈变化区域。

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（3）由于并列圆柱对流动阻碍作用的增强，流动出现更强烈的紊乱，并且在第一个圆柱后的涡流区域明显大于后者，紊乱的程度比较强烈。

本次利用ANSYS软件对电解质溶液流动进行的二维绕流流场分析，重点模拟了速度和能量的变化。为改进实验和提高结论分析的准确性提供了有力的帮助。

参考文献

[1] 刘顺隆. 计算流体力学[M]，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998. [2] 刘涛, 杨凤鹏. 精通ANSYS[M]，北京：清华大学出版社，2002.

[3] 龚曙光. ANSYS工程应用实例解析[M]，北京：机械工业出版社，2003.

[4] Myung-man Kim, Andrew L Zydney. Effect of Electco-static, Hydrodynamic, and Brownian Forces on Particle Trajectories and Sieving in Normal Flow Filtration[J], Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 269(2): 425-431

[5] D E Armin, J A Ritter, H J Ploehn. Magnetic Hetero-Flocculation of Paramagnetic Colloidal Particles[J], Journal of Colloid and Interface Science, 2000, 225(1): 39-46

[6] ANSYS Inc.ANSYS/FLOTRAN计算流体力学分析指南[Z]，美国ANSYS公司北京办事处

ANSYS to simulation analysis of magnetic fluid flowing

Guo Renning, Wu Chunxiao, Li Ruiping

Energy and power engineering department of mechanical engineering college, Liaoning Technical

University, Fuxin, Liaoning (123000)

Abstract

The tradition method of computation hydromechanics can effectively carry on the value simulation 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 the flow field . It plays an important role on the conclusion analysis.

Keywords: ANSYS; magnetic fluid; Electrolyte; Circumferential flow

作者简介：郭仁宁，男，1956年6月生，教授，硕士研究生导师，1982年7月毕业于原阜新矿业学院矿山机械专业，主要从事流体机械方面的研究工作。

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