[发明专利]一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法

权利要求书

1.一种计算VIM冶炼过程中的夹杂物运动的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）利用COMSOL建立真空感应炉的几何模型；所述几何模型的计算域包括合金计算域、坩埚计算域、保温材料计算域、线圈计算域、冷凝水计算域和保护气体计算域，并将所述几何模型的最外层定义为无限元域；

（2）设置真空感应炉的材料物性参数；

（3）在所述几何模型中添加并设置磁场；所述磁场设置方式为线圈电流激励，所述线圈为单导线线圈组；设定所述无限元域的外边界为磁绝缘；对所述几何模型的磁场初始值进行设置，所述几何模型内的所有计算域的磁势均设置为零；在所述合金计算域内添加力计算节点，设置为在频域同时计算瞬时变量和周期平均变量，并对VIM冶炼过程中的合金计算域的计算单元上的洛伦兹力进行计算；

（4）在所述几何模型中添加并设置湍流流场；所述湍流流场选择湍流k-ε模型对所述合金计算域的流场进行模拟分析，湍流类型采用平均纳维-斯托克斯方程描述，采用标准壁函数处理近壁面，利用动网格的方法对所述合金计算域的液面波动现象进行模拟；将所述坩埚计算域的内壁面设置为无滑移壁面；将所述合金计算域内的合金熔液设置为包含重力的不可压缩流体，设置所述合金熔液的初始速度和初始压力为零，并启用静水压力补偿；在所述湍流流场内添加重力节点，对所述合金计算域所受的重力进行计算；并利用洛伦兹力多物理场对所述合金计算域所受的时均电磁力进行计算，且将时均电磁力作为体积力输入到湍流k-ε模型中；

（5）在所述几何模型中添加并设置粒子跟踪物理场；所述粒子为随机生成的夹杂物粒子，所述夹杂物粒子的初始速度为所在位置的合金熔液的流动速度；对所述夹杂物粒子的密度、直径、类型及电荷数进行设置，设置所述坩埚计算域的内壁面和所述合金计算域的液面的壁条件为冻结或反弹，以实现夹杂物粒子去除效果的仿真模拟；然后在所述合金计算域中添加重力节点、曳力节点和萨夫曼升力节点，对所述合金计算域中的夹杂物粒子在运动过程中的受力情况进行仿真模拟；

（6）对所述几何模型进行网格划分；

（7）配置求解器并求解；求解的过程依次包括求解模型流场和求解夹杂物粒子的运动轨迹及去除情况；

（8）结果分析；所述结果分析包括绘制VIM冶炼过程中的合金计算域流场分布云图和速度随时间的变化曲线、绘制VIM冶炼过程中的夹杂物粒子的运动轨迹图以及对合金计算域的液面和坩埚计算域的内壁面的夹杂物粒子去除率进行统计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤（1）中，建立所述几何模型所需的参数包括：炉料高度；坩埚的高度、宽度和厚度；保温材料的高度、宽度和厚度；线圈的内径和外径，线圈间的间隙及匝数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤（2）中，所述真空感应炉的材料包括合金、坩埚、保温材料、线圈、冷凝水和保护气体；

所述材料物性参数包括所述合金、所述坩埚、所述保温材料、所述线圈、所述冷凝水和所述保护气体的相对磁导率、电导率、相对介电常数以及所述合金的密度和动力粘度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述坩埚采用氧化镁、氧化钙和氧化铝中的一种或多种材料制成；

所述保温材料为硅酸铝纤维材料、石棉材料、高铝砖材料中的一种或多种；

所述线圈采用紫铜材料制成；

所述冷凝水为水；和/或

所述保护气体为Ar气。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤（3）中，所述几何模型内的所有计算域符合安培定律。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在步骤（4）中，将所述重力节点的加速度设置为当地重力加速度；

在步骤（4）中，在利用洛伦兹力多物理场对所述合金计算域所受的时均电磁力进行计算时，所述洛伦兹力多物理场的接口为磁场和湍流流场，在所述湍流流场中添加体积力节点，体积力大小为时均电磁力，体积力的轴向力为z方向时均电磁力，体积力的径向力为r方向时均电磁力。