新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)流體流動(dòng)與傳熱的耦合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

杜 海 曲延濱 張 鵬

新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)流體流動(dòng)與傳熱的耦合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)

杜 海 曲延濱 張 鵬

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）

針對(duì)一種新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)和傳熱的特點(diǎn)，建立了其三維流體流動(dòng)和傳熱耦合計(jì)算的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用經(jīng)驗(yàn)公式確定了熱機(jī)內(nèi)部氣隙的等效導(dǎo)熱系數(shù)以及各部件表面散熱系數(shù)，采用有限體積法對(duì)熱機(jī)內(nèi)部的流體流動(dòng)與傳熱進(jìn)行耦合仿真計(jì)算，確定了熱機(jī)在不同工作條件下的出水溫度及內(nèi)部溫度分布。搭建了基于該熱機(jī)的熱水升溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并將耦合場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為熱機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、及合理穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī) 軸向磁場(chǎng) 有限體積法 溫度場(chǎng)

1 引言

旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)是一種新型能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)L(fēng)力渦輪機(jī)、水輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置輸出的機(jī)械能作為能量輸入，通過(guò)旋轉(zhuǎn)耦合磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為渦流損耗熱能，并最終以水為傳熱介質(zhì)進(jìn)行熱能傳遞。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)還可綜合利用其內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)受熱水媒質(zhì)進(jìn)行軟化處理[1-3]。

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)主要采用徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁通沿徑向穿過(guò)定子，在定子中形成渦流并產(chǎn)生渦流損耗[4]。為了提高永磁體和定子材料利用率，可采用中間定子的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該熱機(jī)的定子呈圓筒形結(jié)構(gòu)，熱機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，加工制造難度較大，且空間利用率較低。

本文提出一種軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)，該熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，空間利用率高，且可同軸并聯(lián)構(gòu)成機(jī)組，更易應(yīng)用于工程實(shí)際。在文獻(xiàn)[5-8]的研究基礎(chǔ)上，基于新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了該熱機(jī)傳熱系統(tǒng)內(nèi)三維流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合求解的數(shù)學(xué)模型和物理模型，采用有限體積法分析其熱水升溫性能，同時(shí)，搭建以該熱機(jī)為基礎(chǔ)的熱水升溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，將耦合場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，為旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)綜合物理場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)同樣采用中間定子的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但是其定、轉(zhuǎn)子都設(shè)計(jì)為圓盤形狀，如圖1所示。轉(zhuǎn)子材料為塊狀導(dǎo)磁鐵心，表貼的永磁體沿軸向充磁，磁極交替配置。圓盤定子采用純銅材料，內(nèi)部水路設(shè)計(jì)為螺旋管路。

圖1 軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)示意圖Fig.1 Scheme of rotating induction heater with axial-field configuration

該結(jié)構(gòu)熱機(jī)只有一個(gè)機(jī)械能輸入的端口，可將外部動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給轉(zhuǎn)子，形成轉(zhuǎn)子的動(dòng)能。多極永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁極交替穿過(guò)定子導(dǎo)體，定子導(dǎo)體各處磁通量的變化會(huì)生成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下形成渦流，并產(chǎn)生渦流損耗熱能。這些熱能過(guò)定子中的傳熱工質(zhì)帶走，不斷消耗轉(zhuǎn)子動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到熱能的能量轉(zhuǎn)換。該熱機(jī)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是利用法拉第電磁感應(yīng)原理把運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，電能最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉[9]。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)定子傳熱管道內(nèi)的傳熱工質(zhì)（水媒質(zhì)）還具有磁化作用。

3 流體流動(dòng)及溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

3.1數(shù)學(xué)模型

該熱機(jī)以定子導(dǎo)體的渦流損耗為熱源，其熱量傳遞過(guò)程主要有兩個(gè)環(huán)節(jié):一是定子導(dǎo)體的大部分熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞到管道內(nèi)壁，再通過(guò)熱對(duì)流方式傳遞給水媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水媒質(zhì)的升溫作用；二是定子導(dǎo)體小部分熱量利用對(duì)流和輻射方式通過(guò)氣隙傳遞給永磁體和轉(zhuǎn)子，該熱量傳遞的結(jié)果會(huì)使得永磁體升溫，改變永磁體的磁特性，從而影響熱機(jī)的工作性能。熱機(jī)溫度場(chǎng)分布主要與傳熱管道內(nèi)水媒質(zhì)的對(duì)流換熱及氣隙的傳熱相關(guān)。系統(tǒng)內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱滿足動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律以及能量守恒定律。以上守恒定律可利用如下控制方程描述。

3.1.1 紊流k-ε數(shù)學(xué)模型

當(dāng)流體處于不可壓縮且穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)理論，一般采用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε數(shù)學(xué)模型，其通用控制方程為:

式中 ρ——流體密度；

φ、V——通用變量；

?！獢U(kuò)散系數(shù)；

S——源項(xiàng)。

3.1.2 三維熱傳導(dǎo)方程

式中 kx、ky、kz——分別為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)；

q——內(nèi)部熱源密度(W/m3)；

T——溫度(K)。

3.1.3 能量守恒方程

定子傳熱管道內(nèi)流動(dòng)系統(tǒng)的熱交換過(guò)程必須滿足能量守恒基本定律，其方程可如下描述:

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)電磁裝置（比如風(fēng)冷或水冷電機(jī)）溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析，主要采用有限體積方法[10-12]。在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域中，有限體積法是一種應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析方法。本文對(duì)以上各控制方程采用有限體積法求解，可較準(zhǔn)確的獲得熱機(jī)內(nèi)部三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況。

式中 u、v、w——流體的速度分量；

p——流體壓力；

h——流體的比焓；

U——流體的速度矢量；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)；

Φ——耗散函數(shù)；

Sh——流體的內(nèi)熱源及由粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

以上三個(gè)方程都可以表示為統(tǒng)一的通用形式:

3.2物理模型

軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)數(shù)值計(jì)算的物理模型是以實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為參照建立的。該模型求解區(qū)域包括轉(zhuǎn)子、氣隙、定子及其內(nèi)部水路，結(jié)構(gòu)參數(shù)變量如圖1所示，參數(shù)設(shè)置如表1所示。三維網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2所示。定子內(nèi)水套結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 軸向磁場(chǎng)電磁熱機(jī)求解域網(wǎng)格剖分Fig.2 Mesh of solution region of rotating induction heater with axial-field configuration

表1 實(shí)例結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of example

圖3 軸向磁場(chǎng)電磁熱機(jī)定子中水路分布示意圖Fig.3 Sketch of water channel in stator of rotating induction heater with axial-field configuration

3.3基本假設(shè)和邊界條件

為簡(jiǎn)化分析，對(duì)軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)的求解模型做以下基本假設(shè):（1）根據(jù)熱機(jī)實(shí)際工作情況，由雷諾系數(shù)Re確定流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)Re＞2300時(shí)采用紊流模型對(duì)流體場(chǎng)求解，而Re＜2300時(shí)采用層流模型求解；（2）由于傳熱管道內(nèi)流體流速遠(yuǎn)小于聲速，因此將其作為不可壓縮流體考慮；（3）忽略浮力和重力對(duì)傳熱管道內(nèi)流體場(chǎng)的影響；（4）只研究傳熱管道內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，即認(rèn)定流體流動(dòng)為定常流動(dòng)，因而控制方程中不含有時(shí)間項(xiàng)；（5）不考慮定子材料物性參數(shù)隨溫度變化的影響，忽略流體物性參數(shù)的變化；（6）以定子為唯一熱源，并假定熱源密度均勻分布。

根據(jù)熱機(jī)內(nèi)定子傳熱管道的結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)和傳熱的特點(diǎn)，給出以下邊界條件:（1）給定速度入口邊界條件，以及壓力出口邊界條件。（2）定子作為施加的恒定熱源，熱源大小為

式中 Pe——定子渦流損耗(W)；

V——定子體積(m3)。

（4）絕熱邊界條件:

式中 kn——垂直于絕熱面的導(dǎo)熱系數(shù)；

sW——求解域絕熱面，為轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)圓周表面。

（5）傳熱接觸面邊界條件:

式中 h——表面散熱系數(shù)(W/m2·℃)；

Tf——流體溫度(℃)；

sD——求解域中的散熱面，包括兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸向兩端的外表面，以及定子在r=Ro和r=Ri處的圓周面；

3.4氣隙導(dǎo)熱系數(shù)及表面散熱系數(shù)的確定

3.4.1 氣隙導(dǎo)熱系數(shù)的確定

對(duì)于軸向磁場(chǎng)電磁熱機(jī)，定子與雙轉(zhuǎn)子均為中空的圓盤形狀，圓盤之間的氣隙存在運(yùn)動(dòng)氣體的對(duì)流換熱，在此引入有效導(dǎo)熱系數(shù)將其等效為靜止氣體的熱傳導(dǎo)。為方便運(yùn)算作近似處理，忽略轉(zhuǎn)子圓盤在徑向上線速度的差別。氣隙的等效導(dǎo)熱系數(shù)與氣體的流動(dòng)狀態(tài)相關(guān)，這里利用特依洛爾數(shù)Ta代替雷諾系數(shù)Re來(lái)判定氣隙中氣體的流動(dòng)狀態(tài)[13]:

式中 Rm——為圓盤的平均半徑(m)，Rm=(Ri+Ro)/2；

δ——?dú)庀堕L(zhǎng)度(m)；

ω——轉(zhuǎn)子角速度(rad/s)；

υ——空氣運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)。

當(dāng)Ta≤41.2時(shí)，氣隙中氣體流動(dòng)形態(tài)為層流，此時(shí)氣隙通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱量，熱交換強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。氣隙中努賽爾數(shù)Nu為常數(shù)，可以認(rèn)為氣隙中導(dǎo)熱系數(shù)即為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λk。當(dāng)Ta≥41.2時(shí)，氣隙中的氣體為湍流流動(dòng)，此時(shí)氣隙中的努賽爾數(shù)Nu如下式所示:

式中 β——借鑒電機(jī)中轉(zhuǎn)子表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，β取值為1.15～1.25；

Re——?dú)庀吨械睦字Z數(shù)，Re=ωRmδ/υ；

由此，氣隙中氣體流動(dòng)處于紊流狀態(tài)時(shí)的等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式為:

3.4.2 轉(zhuǎn)子外表面散熱系數(shù)的確定

轉(zhuǎn)子盤在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸向兩端外表面處于空氣受迫對(duì)流散熱狀態(tài)，將其視為縱掠平板對(duì)流傳熱。轉(zhuǎn)子盤面的散熱系數(shù)與表面空氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，因此，首先依據(jù)氣體流動(dòng)雷諾系數(shù)Re來(lái)判斷流動(dòng)狀態(tài)。轉(zhuǎn)子盤面處空氣雷諾系數(shù)Re可近似定義為[14]:

式中 L——轉(zhuǎn)子盤等效的特征長(zhǎng)度(m)，此處取L=2πRm；

ρ——空氣密度(Kg/m3)。

根據(jù)雷諾系數(shù)判定轉(zhuǎn)子軸向兩端外表面的散熱系數(shù)[15]。當(dāng)Re＜500 000時(shí)，轉(zhuǎn)子盤面的空氣流動(dòng)為層流狀態(tài)，其表面散熱系數(shù)為:

式中 Pr——普朗特?cái)?shù)，與環(huán)境溫度有關(guān)，在此取Pr=0.7；

λ——空氣導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；

當(dāng)Re＞500 000時(shí)，轉(zhuǎn)子盤面的空氣流動(dòng)為紊流狀態(tài)，其表面散熱系數(shù)為:

轉(zhuǎn)子外圓周表面也處于空氣受迫對(duì)流散熱狀態(tài)，確定其散熱系數(shù)可參考轉(zhuǎn)子軸向兩端外表面散熱系數(shù)計(jì)算的方法。在計(jì)算過(guò)程中，公式(11)～公式（13）中的特征長(zhǎng)度L應(yīng)取值為L(zhǎng)=2πRo。

3.4.3 定子外圓周表面的散熱系數(shù)的確定

定子外圓周表面的散熱系數(shù)可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中 v——轉(zhuǎn)子外圓周的線速度(m/s)。

以上等效導(dǎo)熱系數(shù)及散熱系數(shù)與多種因素有關(guān)，其相關(guān)公式都是具有經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，這些公式所給出的只能是大致估算值，在針對(duì)計(jì)算實(shí)例的有限體積法仿真過(guò)程中，要根據(jù)流體與導(dǎo)熱體的實(shí)際情況做出修正。定子傳熱管道的傳熱接觸面的散熱系數(shù)不必進(jìn)行類似計(jì)算，由于流體域和定子固件的交界面為耦合傳熱，在有限體積法仿真計(jì)算過(guò)程中，其散熱系數(shù)由流體流動(dòng)方程、能量方程和傳熱方程經(jīng)過(guò)耦合迭代得到。

3.5數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析

在數(shù)值求解過(guò)程中根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)際情況來(lái)設(shè)定熱源大小、進(jìn)口流速、進(jìn)口溫度等條件。其中，流體進(jìn)口溫度為實(shí)測(cè)的291.15K，管道內(nèi)流體平均流速測(cè)得為0.43m/s，計(jì)算所得雷諾系數(shù)Rec=662，因此在該流速下管道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流，計(jì)算中選用Laminar模型。熱機(jī)在500rpm轉(zhuǎn)速時(shí)測(cè)得功率157W，計(jì)算可得熱源大小為2 854 545W/m3。圖4為軸向磁場(chǎng)電磁熱機(jī)定子傳熱管道內(nèi)的流體的三維溫度場(chǎng)分布。從圖中可以看出，流體最高溫度為320.5K，位于螺旋管道內(nèi)側(cè)。當(dāng)流體從定子外側(cè)螺旋管道流出，由于和進(jìn)口螺旋管道的流體存在一定程度的熱交換，使得流體出口溫度降低到309.9K。若在樣機(jī)定子的設(shè)計(jì)中，將進(jìn)口螺旋管道和出口螺旋管道之間進(jìn)行隔熱處理，可以進(jìn)一步提高出口水溫。圖5為盤式雙轉(zhuǎn)子表面的溫度分布，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的溫度最高，溫度范圍在318.3～320.4K之間。

圖4 流體三維溫度場(chǎng)分布Fig.4 3-D temperature distribution of water

圖5 轉(zhuǎn)子表面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of surface of dual-rotor

圖6 熱機(jī)樣機(jī)的主要部件照片F(xiàn)ig.6 Photo of components of prototype heater

在此樣機(jī)基礎(chǔ)上搭建熱水升溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻控制器、轉(zhuǎn)矩傳感器、扭矩測(cè)量?jī)x、轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x、溫度傳感器、溫度巡檢儀、水泵、連接管路與水箱。其中，電磁熱機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸安放，轉(zhuǎn)矩傳感器位于電磁熱機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間，扭矩測(cè)量?jī)x顯示輸入電磁熱機(jī)的轉(zhuǎn)矩大?。蛔冾l控制器可驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行；熱機(jī)轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x獲得；水泵將進(jìn)水水箱中的水通過(guò)管路送入熱機(jī)，經(jīng)過(guò)熱機(jī)加熱升溫后流向出水水箱；在進(jìn)水水箱和傳熱管道出口處安放溫度傳感器，通過(guò)溫度巡檢儀讀取進(jìn)水、出水的溫度。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖7。

測(cè)得定子管道內(nèi)水路流速為0.43m/s，進(jìn)水水溫為291.15K(18℃)。該熱機(jī)定子的用銅量為5.5 105m3。熱機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的轉(zhuǎn)矩，以及計(jì)算所得的熱功率和熱源大小如表2所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)照片F(xiàn)ig.7 Photo of rotating induction heater test system

表2 不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩、熱功率及熱源Tab.2 Torque, thermal power and heat source at different speed

圖8為樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下出水溫度的實(shí)測(cè)值與流體傳熱耦合數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。當(dāng)熱機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000rpm時(shí)，通過(guò)有限體積法計(jì)算得到定子管道內(nèi)的最高溫度接近100℃，然而基本假設(shè)中忽略了流體物化參數(shù)的變化，即沒(méi)有考慮流體在高溫時(shí)由液相轉(zhuǎn)為氣相的問(wèn)題，因此當(dāng)熱機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)1 000rpm后，數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果不具有參考性。

圖8 旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Heating experiment results of rotating induction heater

從圖8中可以看出，在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與測(cè)試值較為接近，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要小于數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，而隨著轉(zhuǎn)速的升高，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差越來(lái)越大。主要有以下原因:一是隨著轉(zhuǎn)速升高，定子熱功率增大，隨之轉(zhuǎn)子溫度有一定程度升高，雖然永磁體處于可正常工作的溫度范圍內(nèi)，但在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中并沒(méi)有考慮永磁體磁特性隨溫度變化的影響；二是在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，忽略了轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的熱量傳遞，該熱量損失使得實(shí)測(cè)值要偏??；三是數(shù)值分析模型忽略了出口管路的長(zhǎng)度，而樣機(jī)的出口管路也存在熱量散失，使得測(cè)量的出口溫度值偏低。造成實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算偏差的三個(gè)原因中，第一個(gè)原因是主要原因，并且使得偏差隨轉(zhuǎn)速升高而增大。在熱機(jī)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，也要注意轉(zhuǎn)子永磁體的溫度不能過(guò)高，否則輕則會(huì)降低致熱、傳熱效率，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致永磁體高溫失磁，使得熱機(jī)無(wú)法工作。

4 結(jié)論

本文提出一種新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)，即軸向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)，采用有限體積法對(duì)熱機(jī)內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行耦合計(jì)算與分析。數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證實(shí)該熱機(jī)升溫效果顯著，且在正常工況轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（0～900rpm），出水溫升實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為一致，表明該流體傳熱耦合分析方法的正確性，為其綜合物理場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算及熱機(jī)換熱設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。該熱機(jī)可在集中供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中可作為輔助熱源，并起到軟化水質(zhì)，阻垢、抑垢的作用；在高寒、高緯度地區(qū)或北方沿海、海島地區(qū)，可設(shè)計(jì)為獨(dú)立供暖系統(tǒng)，直接利用苦咸水、海水等極端水質(zhì)進(jìn)行加熱供暖，其裝備設(shè)計(jì)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張鵬, 郭斌, 程樹(shù)康, 等. 旋轉(zhuǎn)電磁加熱技術(shù)及其腐蝕結(jié)垢研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(Suppl.2)：195-198.

Zhang Peng, Guo Bin, Cheng Shukang, et al. Effect of rotating electromagnetic heating technology on corrosion and scale[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2007, 22(Suppl.2)： 195-198.

[2] 陳磊, 柴鳳, 程樹(shù)康. 新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)對(duì)水媒質(zhì)磁化作用機(jī)理初探[J]. 微電機(jī), 2009, 42(9)： 65-68.

Chen Lei, Chai Feng, Cheng Shukang. Fundamental research on magnetization of water medium by novel rotating electromagnetic heating machine[J]. Micromotors, 2009, 42(9)： 65-68.

[3] 陳磊, 柴鳳, 裴宇龍, 等. 新型旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)三維電磁場(chǎng)方程的求解及相關(guān)電磁參數(shù)的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(7)： 147-153.

Chen Lei, Chai Feng, Pei Yulong, et al. Solution of the 3D electromagnetic equation and research on related electromagnetic parameters of the novel rotational electromagnetic heating machine[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2011, 26(7)： 147-153.

[4] 杜海, 張鵬, 曲延濱. 一種雙轉(zhuǎn)子電磁熱機(jī)及其磁場(chǎng)和渦流分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013, 17(5)：51-56.

Du Hai, Zhang Peng, Qu Yanbin. A Dual-rotor Electromagnetic heat engine and its magnetic field and eddy current analysis[J]. Electric Machine and Control, 2013, 17(5)： 51-56.

[5] 李偉力, 楊雪峰, 顧德寶, 等. 多風(fēng)路空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(12)： 24-31.

Li Weili, Yang Xuefeng, Gu Debao, et al. Calculation and analysis of fluid flow and heat transfer of aircooled turbo-generator with multipath ventilation[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2009, 24(12)： 24-31.

[6] 路義萍, 馬賢好, 李偉力. 空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(17)： 61-66.

Lu Yiping, Ma Xiaohao, Li Weili. The effect of geometry factors on heat transfer of rotor’s cooling duct of large turbo generator with air-coolant[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(17)： 61-66.

[7] 李偉力, 孫宏麗, 于海濤. 空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組異結(jié)構(gòu)下的不飽和同步電抗、繞組內(nèi)渦流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(2)：50-58.

Li Weili, Sun Hongli, Yu Haitao. Calculation and analysis of unsaturated synchronous reactance, eddy current distribution in windings and temperature field for air cooled turbo-generator with different stator windings structures[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2011, 26(2)： 50-58.

[8] 路義萍, 陳朋飛, 鄧海燕, 等. 某新型通風(fēng)方式空冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 25(11)： 29-35.

Lu Yiping, Chen Pengfei, Deng Haiyan, et al. Temperature field of one air-cooled turbo-generator rotor with new ventilation type[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2011, 25(11)： 29-35.

[9] 江善林. 高速永磁同步電機(jī)的損耗分析與溫度場(chǎng)計(jì)算[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010： 121-122.

Jiang Shanlin. High-speed Permanent Magnet Synchronous Motor Loss Analysis And Temperature Field Calculation[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology, 2010： 121-122.

[10] 張曉晨, 李偉力, 邱洪波, 等. 超高速永磁同步發(fā)電機(jī)的多復(fù)合結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(30)： 85-92.

Zhang Xiaochen, Li Weili, Qiu Hongbo, et al. Calculation of electromagnetic field and temperature field in super high speed permanent magnet generator with composite structures[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(30)： 85-92.

[11] 魏靜微, 楊崑, 謝穎, 等. 高轉(zhuǎn)差異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的三維溫度場(chǎng)及旋轉(zhuǎn)熱管的應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2011, 15(7)： 82-86.

Wei Jingwei, Yang Kun, Xie Ying, et al. 3D Temperature field of high slip asychronous generator rotor and analysis of rotating heat tube[J]. Electric Machines And Control, 2011, 15(7)： 82-86.

[12] 路義萍, 鄭國(guó)麗, 韓家德, 等. 副槽及出風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(26)： 90-96.

Lu Yiping, Zheng, Guoli, Han Jiade, et al. Effect of structure size of sub-slot and it’s air outlet on threedimensional temperature field for turbo-generator rotor[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(26)：90-96.

[13] 李偉力, 袁世鵬, 霍菲陽(yáng), 等. 基于流體傳熱理論永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2011, 15(9)： 56-62.

Li Weili, Yuan Shipeng, Huo Feiyang, et al. Calculation of temperature field of pm generator for wind turbine based on theory of fluid heat transfer[J]. Electric Machines And Control, 2011, 15(9)： 56-62.

[14] 馬宏忠, 耿志慧, 王慶燕, 等. 磁懸浮承重裝置中發(fā)熱與溫升分析計(jì)算[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(30)： 126-131.

Ma Hongzhong, Geng Zhihui, Wang Qingyan, et al. Analysis and calculation for heating and temperature rise of magnetic levitation device[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(30)： 126-131.

[15] 李立毅, 黃旭珍, 寇寶泉, 等. 基于有限元法的圓筒型直線電機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(2)： 132-137.

Li Liyi, Huang Xuzhen, Kou Baoquan, et al. Numerical calculation of temperature field for tubular linear motor based on finite element method[J]. Transactions of China Eletrotechnical Society, 2013, 28(2)： 132-137.

Coupling Calculation and Experiment of Fluid Flow and Heat Transfer of a New Rotating Induction Heater

Du Hai Qu Yanbin Zhang peng
（School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001）

A new rotating induction heater is proposed, and its mathematical and physical model of 3-D fluid and temperature coupling field are established according to the characteristics of fluid flow and heat transfer. The equivalent coefficient of heat conductivity for airgap and the coefficient of heat transfer for surface of main components are given based on empirical formulas. The 3-D fluid and temperature coupling field are numerically calculated using finite volume method. The temperature rise of water and the temperature field in heater are determined under different working conditions. Experiment test are implemented on experiment platform for heating water by the heater. Some useful conclusions are obtained by comparing the calculation result with test value.

Rotating induction heater, axial-field, finite volume method(FVM), temperature field.

TM502

杜 海 男，1979年生，博士研究生，研究方向?yàn)榛谛D(zhuǎn)電磁效應(yīng)海水淡化技術(shù)。

2014-09-10

曲延濱 男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)及電力電子與電力傳動(dòng)。