基于FLUENT的磁流變液的流動(dòng)行為仿真

白玉 范遠(yuǎn)華

摘 要：對(duì)磁流變液在不同條件下的流動(dòng)行為進(jìn)行分析，利用Gambit建立了磁流變液的俯視二維簡(jiǎn)化模型并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。應(yīng)用FLUENT對(duì)不同入口速度和障礙物大小條件下磁流變液中基礎(chǔ)油的流動(dòng)行為進(jìn)行了仿真模擬，得出不同障礙大小和入口速度下的速率變化云圖，分析表明仿真效果能較好的模擬磁流變液的真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)，能較好的解釋磁流變液在不同剪切速率和鏈聚集程度下的流動(dòng)行為。

關(guān) 鍵 詞：FLUENT；磁流變液；流動(dòng)行為

中圖分類號(hào)：TH 117.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1651-03

Flow Behavior Simulation of Magnetorheological Fluid Based on FLUENT

BAI Yu1，F(xiàn)AN Yuan-hua2

（1. National Engineering Research Center for Disaster and Emergency Rescue Equipment of Logistical Engineering University， Chongqing 401331，China； 2. PLA Military Agents Room of Air Force in North China， Beijing 100086，China）

Abstract： The flow behavior of magnetorheological （MR） fluid under different conditions was investigated. Simplified 2D model from top-down view of MR fluid was established， at the same time， the model was divided into structured mesh with Gambit. Flow behavior simulation of basic oil among MR fluid under different conditions of barriers size & entrance velocity was carried out by FLUENT， the flow rate change clouds under different conditions were obtained. The analysis result indicates that this method has good simulation results to real flow behavior of MR fluid， also offers a good account of flow behavior under different conditions of shear rate & molecule chain.

Key words： FLUENT； Magnetorheological fluid； Flow behavior

磁流變液是由磁性顆粒、基礎(chǔ)油和添加劑組成的一種新型的智能材料，因其具有優(yōu)異的流變特性而廣泛運(yùn)用于阻尼器振動(dòng)控制、確定性拋光、機(jī)械密封、動(dòng)力傳遞、液壓系統(tǒng)等領(lǐng)域之中，關(guān)于其性能、機(jī)理和應(yīng)用的研究已經(jīng)迅速成為受到廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]。本文基于FLUENT分析利用Gambit建立了磁流變液的俯視二維簡(jiǎn)化模型并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，仿真模擬外磁場(chǎng)作用下磁流變液的流動(dòng)行為，分析羰基鐵粉鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)粗細(xì)和剪切速率對(duì)磁流變液流動(dòng)狀態(tài)的影響，得出不同障礙大小和入口速度下的變化云圖，分析結(jié)果提出了磁流變液流動(dòng)狀態(tài)FLUENT仿真進(jìn)一步改進(jìn)方法，為磁流變液流動(dòng)狀態(tài)研究提供了借鑒。

1 假設(shè)條件與模型建立

磁流變液[4-6]是一種由軟磁性顆粒均勻懸浮在基礎(chǔ)油中混合而成的智能材料，在外磁場(chǎng)的作用之下，磁性顆粒會(huì)定向排列，進(jìn)而相互吸引成為鏈?zhǔn)鵂罱Y(jié)構(gòu)，這種鏈?zhǔn)鵂罱Y(jié)構(gòu)阻礙基礎(chǔ)油的流動(dòng)，從而賦予磁流變液一定的固體特征，這就是磁流變性能產(chǎn)生的基礎(chǔ)。磁流變液的鏈化過程可以用圖1-2表示[7]：

圖1 無磁場(chǎng)下鐵磁性顆粒的三維分布示意圖

Fig.1 Three-dimensional distribution of ferromagnetic particle without magnetic field

圖2 有磁場(chǎng)下鐵磁性顆粒的三維分布示意圖

Fig.2 Three-dimensional distribution of ferromagnetic particle with magnetic field

從圖2中可以看出，有場(chǎng)條件下磁性顆粒定向排列成鏈?zhǔn)鵂罱Y(jié)構(gòu)，為方便模擬，本文做出以下3個(gè)近似假設(shè)：

（1）所有的磁性顆粒均為球型，且形成的鏈?zhǔn)鵀檩^粗的均勻圓柱狀結(jié)構(gòu)；

（2）鏈?zhǔn)g沒有相互作用，且距離相互固定；

（3）鏈?zhǔn)臻g位置固定，不隨剪切流運(yùn)動(dòng)。

經(jīng)過以上假設(shè)，可以使用FLUENT的前置軟件Gambit繪制網(wǎng)格。由于本文模擬的流場(chǎng)在Z軸方向沒有速度梯度，所以本文繪制的網(wǎng)格采用俯視二維模擬流場(chǎng)區(qū)域，將磁性顆粒形成的鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)模擬為流場(chǎng)中的圓形障礙（圖3）：

圖3 流場(chǎng)網(wǎng)格

Fig.3 The grid of flow field

模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm的管道，左邊入口為速度入口，上下兩邊以及障礙設(shè)置為墻壁，管道橫坐標(biāo)10、15、20 mm及縱坐標(biāo)2.5、5、7.5 mm處一共設(shè)置9個(gè)圓形障礙，大障礙直徑1 mm，小障礙直徑0.4 mm。

2 障礙大小對(duì)流場(chǎng)速度的影響

將已繪制的網(wǎng)格引入FLUENT軟件中，設(shè)置材料為硅油，入口速度為20 m/s，使用簡(jiǎn)單二維層流模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到如下的流速云圖4-5：

圖4 流場(chǎng)中障礙較小時(shí)的流速云圖

Fig.4 The rate nephogram in flow field with small obstacles

圖5 流場(chǎng)中障礙較大時(shí)的流速云圖

Fig.5 The rate nephogram in flow field with big obstacles

分析不同障礙大小的流速云圖可以看出，在入口速度一致的條件下，管道前段流速分布差別很小，隨后流速呈遞減的趨勢(shì)，在遇到障礙的阻擋之后，流速很快降低。障礙物較為集中的管道中部區(qū)域流速降低最明顯，而在靠近管壁遠(yuǎn)離障礙物的位置反而出現(xiàn)了流速較快的區(qū)域，從圖中可以看出這種遠(yuǎn)離障礙位置的高流速區(qū)域幾乎不受障礙物大小的影響，這可能是因?yàn)檫@部分流體并未進(jìn)入障礙區(qū)域內(nèi)部，而是繞過整個(gè)障礙區(qū)域流動(dòng)，因此可以將整個(gè)障礙區(qū)域看作一個(gè)大障礙，流體繞過這個(gè)障礙流動(dòng)，導(dǎo)致邊緣流體流速較快且與9個(gè)障礙的大小無關(guān)。

分析障礙物區(qū)域，對(duì)比大障礙和小障礙對(duì)流體流動(dòng)的阻礙可以看出，大障礙對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用更加明顯，流體的速度降低更多，說明當(dāng)流場(chǎng)中障礙物較大時(shí)，流體的流動(dòng)更加困難。這在磁流變液中宏觀表現(xiàn)為磁性顆粒鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)聚集程度越高、鏈?zhǔn)酱謱?duì)基礎(chǔ)油的流動(dòng)阻礙作用更為明顯，磁流變液抵抗外力作用的能力越強(qiáng)，體現(xiàn)出更強(qiáng)的磁流變效應(yīng)，這與現(xiàn)有研究得出的結(jié)論一致[4]，而影響磁流變液中鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)聚集狀態(tài)和粗細(xì)程度的因素有很多，包括磁性顆粒自身的靜磁性能、顆粒大小、外加磁場(chǎng)大小、剪切速率等。

3 入口速度對(duì)流場(chǎng)速度的影響

設(shè)定相同的障礙大小，將入口速度分別設(shè)置為10、20、30 m/s，模擬在不同入口速度下流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)，得到結(jié)果如圖6-8：

圖6 入口速度為10m/s時(shí)的流速云圖

Fig.6 The rate nephogram under 10m/s inlet speed

圖7 入口速度為20m/s時(shí)的流速云圖

Fig.7 The rate nephogram under 20m/s inlet speed

圖8 入口速度為30m/s時(shí)的流速云圖

Fig.8 The rate nephogram under 30m/s inlet speed

分析不同入口速度的流速云圖可以看出，在障礙物大小相同而入口速度不同的情況下，磁流變液的流場(chǎng)狀態(tài)有所不同，整體體現(xiàn)出入口速度越大，受到阻礙作用越強(qiáng)的現(xiàn)象，這可以解釋為入口速度較大的流體進(jìn)入障礙區(qū)域之后受到障礙的阻礙，流速較大的流體在與障礙發(fā)生碰撞以及自身擠壓時(shí)損耗了更多的動(dòng)能，導(dǎo)致其流速降低更明顯。

這種現(xiàn)象與磁流變液流變行為的宏觀表現(xiàn)是相符合的，可以將入口速度近似理解為剪切速率，在剪切速率不同的條件下，磁流變液的剪切應(yīng)力體現(xiàn)出不同的特征，剪切應(yīng)力也就是上文近似模擬的流體受到的阻礙作用。當(dāng)入口速度較小時(shí)，基礎(chǔ)油的流動(dòng)受到磁性顆粒的阻礙作用較小如圖6所示，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力較?。欢?dāng)入口速度逐漸增大，基礎(chǔ)油受到的阻礙作用也逐漸增強(qiáng)，呈現(xiàn)出較高的剪切應(yīng)力如圖7所示；而隨著入口速度的進(jìn)一步升高，磁流變液的剪切應(yīng)力不再明顯增加如圖8所示，而是由磁性顆粒自身最大磁飽和強(qiáng)度和外場(chǎng)強(qiáng)度決定。

4 基于FLUENT分析磁流變液流動(dòng)狀態(tài)的幾點(diǎn)思考

本文采用FLUENT仿真的方法初步研究了磁流變液在不同鏈?zhǔn)奂癄顟B(tài)和不同剪切速率下的流動(dòng)狀態(tài)，得出了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合的仿真模擬結(jié)果，受限于本文所采用的假設(shè)條件與簡(jiǎn)化的磁流變液內(nèi)部流動(dòng)模型，本文并未做到對(duì)各類各種條件下磁流變液流動(dòng)狀態(tài)的模擬，基于以上分析，針對(duì)FLUENT分析磁流變液流動(dòng)狀態(tài)研究筆者提出以下幾點(diǎn)思考：

第一：本文將磁流變液中磁性顆粒所成鏈模擬為一個(gè)形狀規(guī)則的圓柱體，這是簡(jiǎn)化了的磁性顆粒成鏈情況?？紤]到磁性顆粒成鏈的形狀可能并不規(guī)則，有多種鏈形態(tài)，鏈?zhǔn)c鏈?zhǔn)g也存在大量的交聯(lián)、合并，甚至形成三維的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，下一步研究中可以針對(duì)復(fù)雜鏈?zhǔn)鵂顟B(tài)下的磁流變液流動(dòng)行為加以研究。

第二：磁性顆粒在外場(chǎng)作用下成鏈，當(dāng)受到一定的剪切作用時(shí)，這些鏈?zhǔn)鴷?huì)相應(yīng)地發(fā)生移動(dòng)、偏斜、鍛煉和重組，且隨著剪切速率增加這種現(xiàn)象越發(fā)明顯。所以在進(jìn)一步研究中，可以將鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的“流動(dòng)”考慮在內(nèi)，模擬流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)固—液兩相的流動(dòng)和相互作用，從而更加真實(shí)地模擬磁流變液的流動(dòng)狀態(tài)。

第三：在本研究的基礎(chǔ)上可以使用FLUENT MHD模塊對(duì)磁場(chǎng)條件下流變行為進(jìn)行仿真。FLUENT MHD模塊能夠模擬電磁場(chǎng)和流體間的相互作用，能夠仿真均勻磁場(chǎng)和振蕩狀態(tài)下磁流體的流動(dòng)行為，可以較好地模擬真實(shí)情況下磁流變液的流變行為，為下一步研究提供支撐。

5 結(jié)束語

本研究利用FLUENT軟件對(duì)不同入口速度和障礙物大小條件下磁流變液中基礎(chǔ)油的流動(dòng)行為進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明大障礙對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用更加明顯，這與磁流變液宏觀表現(xiàn)為磁性顆粒鏈?zhǔn)Y(jié)構(gòu)聚集程度越高、鏈?zhǔn)酱謱?duì)基礎(chǔ)油的流動(dòng)阻礙作用更為明顯，體現(xiàn)出更強(qiáng)的磁流變效應(yīng)結(jié)論一致。入口速度越大，流體受到阻礙作用越強(qiáng)的現(xiàn)象，但隨著入口速度的進(jìn)一步升高，流體阻礙作用會(huì)逐漸平衡，很好的解釋磁流變液在不同剪切速率和鏈化聚集程度下的流變行為，為磁流變液流動(dòng)機(jī)理研究提供了借鑒。

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