磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離技術(shù)進(jìn)展

車中俊，趙立新，2，葛怡清

（1 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點實驗室，黑龍江 大慶 163318）

磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離是指外加磁場對磁性或帶電介質(zhì)的作用，直接將磁性或帶電介質(zhì)與非磁性介質(zhì)分離，或者利用磁性介質(zhì)在磁場中的受力運(yùn)動，間接促進(jìn)非磁性介質(zhì)高效分離的技術(shù)。其磁場是由金屬材料內(nèi)的正負(fù)電荷按一定規(guī)律排布形成或者是感應(yīng)線圈通電后形成的感應(yīng)磁場，在實際工業(yè)中主要用于將固體磁性介質(zhì)從高黏度或難分離的流體等介質(zhì)中分離。傳統(tǒng)的固體雜質(zhì)分離設(shè)備的分離性能與其使用年限、結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)，其分離能力具有一定的局限性，外加磁場能增強(qiáng)對磁性固體的吸引力，改變液滴的表面張力，從一定程度上可以提高設(shè)備分離效率。磁分離技術(shù)根據(jù)其處理介質(zhì)類型和分離方法可簡要概括為圖1，如今該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)選煤、顆粒除雜、污水凈化、結(jié)晶提純等各個領(lǐng)域。在多相分離領(lǐng)域，磁場往往與電場、流場等其他物理化學(xué)場耦合作用來強(qiáng)化對某一介質(zhì)的分離提純能力，目前就磁場分離多相介質(zhì)的發(fā)展可以概括為固體磁性顆粒與非磁性顆粒分離、氣體與固體磁性顆粒分離、固體磁性顆粒與液體分離等，具有代表性的磁場輔助分離設(shè)備有磁選機(jī)、氣-固分離旋流器、磁盤分離器等。為了提高氣、液、固等多相介質(zhì)的分離性能，本文通過調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)磁場強(qiáng)化分離技術(shù)的研究，總結(jié)出磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法，為磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的數(shù)值模擬和試驗提供借鑒。

圖1 磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法及類別

1 磁場輔助固-固分離

磁場應(yīng)用于固體分離是指多相介質(zhì)中具有一定導(dǎo)磁性的固體材料在磁場作用下被磁化，受磁場力作用從多相介質(zhì)中分離的過程。其處理對象為具有不同導(dǎo)磁性能的固體混合物，具有代表性的研究設(shè)備是磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)。

1.1 磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)

磁選機(jī)是一種依靠電磁鐵或永磁鐵產(chǎn)生的高強(qiáng)度、高梯度磁場處理混有導(dǎo)磁性和非導(dǎo)磁性固體的設(shè)備。磁選機(jī)按照其工況分為干式和濕式兩種，干式磁選機(jī)能適應(yīng)缺水礦區(qū)的礦物分選，其成本低且分離效果與傳統(tǒng)的濕式磁選機(jī)幾乎相同，已經(jīng)漸漸取代傳統(tǒng)濕式磁選機(jī)，濕式磁選機(jī)可以避免磁性顆粒與非磁性顆粒運(yùn)動相互干擾，相比于干式磁選機(jī)無需較大的磁場梯度，水的清洗可以減少磁性顆粒對磁選機(jī)筒體的磨損。磁選機(jī)按照其處理的物料形式分為兩種，一種是磁性與非磁性固體顆粒，該物料可采用永磁磁選機(jī)進(jìn)行分選，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示；另一種是非磁性金屬顆粒，如銅、鋁、鉛等，而這種物料不具有磁性，通常采用渦電流分選機(jī)進(jìn)行分選，渦電流分選機(jī)工作原理如圖3所示，磁性相對的磁極交替排列在滾筒內(nèi)壁，金屬物料以一定速度經(jīng)過交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢從而形成環(huán)狀電流，由于物料電阻屬性不同，其不同物料產(chǎn)生的電磁力也不同，該設(shè)備利用這一特點實現(xiàn)非鐵金屬的分選。磁選機(jī)按照磁性元件種類分為永磁和電磁兩種，電磁鐵需要持續(xù)供電產(chǎn)生穩(wěn)定磁場并且具有一定安全隱患，而永磁鐵不需使用供電裝置也能產(chǎn)生同等強(qiáng)度的磁場，當(dāng)前干式永磁磁選機(jī)在非金屬礦業(yè)應(yīng)用較為廣泛。

圖2 磁選機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖[28]

圖3 渦電流分選機(jī)工作原理簡圖[23]

1.2 操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了深入了解磁選機(jī)與渦電流分選機(jī)分選效果的影響因素，提高其分選能力，國內(nèi)外學(xué)者做了大量試驗和數(shù)值模擬研究。根據(jù)其研究方向可分為操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。如Tripathy等和Zhang等等基于響應(yīng)曲面法優(yōu)化磁選機(jī)操作參數(shù)，其中Tripathy 等重點優(yōu)化了赤鐵礦微?；厥詹僮鲄?shù)為磁場強(qiáng)度、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率，Zhang 等側(cè)重于優(yōu)化物料參數(shù)如進(jìn)給粒徑、微波處理時間，兩者得出的結(jié)論均為磁場強(qiáng)度是分離過程中最重要的影響因素。除此之外，黃俊瑋等優(yōu)化設(shè)計了新型干式磁選機(jī)磁系結(jié)構(gòu)，使磁場分布集中于一側(cè)，提高了磁場強(qiáng)度并降低了能量損耗，Norrgran 等在鼓式永磁分離器基礎(chǔ)上設(shè)計了軸式磁選機(jī)，降低尺寸過大的球磨床碎片對流程的磨損程度。試驗研究多采用干式永磁磁選機(jī)優(yōu)化對應(yīng)工況下的操作參數(shù)，其中關(guān)于進(jìn)給量、顆粒尺寸、滾筒傾角等參數(shù)優(yōu)化相對較少，主要優(yōu)化的參數(shù)為磁場強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速，如Lungu等在傳統(tǒng)的臥式渦電流分選機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上依次設(shè)計出立式、轉(zhuǎn)鼓式、兩步連續(xù)分離式渦電流分選機(jī)，試驗重點研究了轉(zhuǎn)速對分選效果的影響，發(fā)現(xiàn)銅鉛物料分選時最佳轉(zhuǎn)速由4000r/min 逐步降低至3000r/min，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能耗與成本較低，分選效果和傳統(tǒng)分選器相比相差無幾。根據(jù)以上研究內(nèi)容，可以得出磁場強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速是影響固-固分選效果的主要因素。

2 磁場輔助氣-固分離

氣-固混合現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)中頻頻出現(xiàn)，屬于一種多相混合介質(zhì)。磁場輔助氣-固分離是指依靠外加磁場作用于具有導(dǎo)磁性的固體顆粒來改變磁性顆粒的受力和排布方式，進(jìn)而改變氣-固混合相的流化態(tài)，使其變得容易分離，如今氣-固分離被廣泛應(yīng)用于礦物分選等領(lǐng)域，具有代表性的研究設(shè)備為氣-固旋流器和氣-固磁流化床等。

2.1 氣-固旋流器

氣-固旋流器是一種依靠離心力實現(xiàn)氣體和固體分離的設(shè)備。磁性固體顆?？赏ㄟ^外加磁場對磁性顆粒作用，增強(qiáng)其運(yùn)動速度以提高分離效率。由于該設(shè)備處理的含氣條件有限，可作為二級分離器與其他氣-固分離器，如干式永磁磁選機(jī)串聯(lián)共用實現(xiàn)多級分離。目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于氣-固旋流器的操作參數(shù)和磁場與旋流器的相對位置做了以下研究，如Zhang等在氣-固旋流器內(nèi)部即溢流管和壁面處增設(shè)多組電暈線，利用通電后產(chǎn)生的電磁場增強(qiáng)對細(xì)小顆粒的吸引力從而降低其隨氣體逃逸的概率。Siadaty等設(shè)計了一種外加磁場源的氣-固旋流器，針對含固體濃度為0.03%的氣-固分離，采用歐拉拉格朗日模型對固體顆粒追蹤，基于響應(yīng)曲面法對磁場強(qiáng)度、水平、垂直方向距離等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Safikhani等則在Siadaty等基礎(chǔ)上設(shè)計了新型氣-固柱狀分離旋流器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，增加了鐵、鎳、聚苯乙烯三種不同導(dǎo)磁性顆粒的分離特性模擬和試驗分析。二者的試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)磁場強(qiáng)度大于3T時，4μm以上鐵磁顆粒能100%分離，Siadaty 等通過敏感度分析得出磁場位置距離溢流口中心的軸向距離是分離性能的關(guān)鍵因素，而Safikhani等通過試驗及模擬數(shù)據(jù)得出磁場位置距離溢流口中心的水平距離相比于軸向距離對分離性能的影響程度更大。

圖4 柱狀氣-固分離旋流器結(jié)構(gòu)簡圖[10]

2.2 氣-固磁流化床

磁流化床是一種外加磁場作用流化態(tài)介質(zhì)用于混合相分離的設(shè)備，流化態(tài)介質(zhì)為氣體和固體的流化床為氣-固流化床。該設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5 所示，磁流化床狀態(tài)如圖6所示。其工作原理：磁場作用于床體內(nèi)部的磁性顆粒，改變了磁性顆粒間的相互作用力，使不穩(wěn)定的磁性固體顆粒受磁場作用后穩(wěn)定排布，從而實現(xiàn)固體與氣體分離，因此顆粒的流化態(tài)是氣-固分離的關(guān)鍵因素，目前國內(nèi)外學(xué)者對影響流化床內(nèi)顆粒流動狀態(tài)因素做了大量試驗研究。如Fabich等通過超短回波磁力共振成像觀察到不同粒徑氣泡的聚結(jié)和坍縮現(xiàn)象，Sornchamni等重點研究了鐵磁顆粒在磁流化床內(nèi)的受力情況，其受力分析如圖7所示，并通過試驗發(fā)現(xiàn)施加磁場能使流化態(tài)更穩(wěn)定，Hristov 等在此基礎(chǔ)上對顆粒的流化態(tài)做了深入研究，通過對比有磁場和無磁場流化床顆粒的運(yùn)動特性發(fā)現(xiàn)顆粒流化態(tài)在變化的磁場和氣體流速中表現(xiàn)為固定態(tài)、流動態(tài)、鼓泡態(tài)，其中適當(dāng)增加磁場強(qiáng)度可以減緩流化床的膨脹速率并降低系統(tǒng)的壓力損失。

圖5 磁場流化床的基本結(jié)構(gòu)[32]

圖6 不同磁場強(qiáng)度下的磁場流化床狀態(tài)[32]

圖7 鐵磁顆粒在流化床內(nèi)的受力平衡圖[39]

在實際應(yīng)用中，氣體與固體流態(tài)化時會產(chǎn)生氣泡，阻礙氣體與固體的充分接觸，無法滿足工業(yè)實際作業(yè)需求，一些學(xué)者對去除氣-固流化床內(nèi)的氣泡做了大量研究。歸柯庭等通過理論與試驗研究，發(fā)現(xiàn)鐵磁顆粒在磁場的作用下引起固相容積密度變化從而產(chǎn)生應(yīng)力差使固體顆粒向氣泡中心移動直至消除氣泡。王之肖等研究了磁流化床煙氣脫硫的機(jī)理，通過試驗對比不同磁場大小對脫硫效率的影響，發(fā)現(xiàn)鐵磁顆粒在酸化條件下利用其自身的鐵離子氧化性增強(qiáng)了對亞硫酸根離子的氧化能力，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象從而減弱了對硫的氧化和抑制氣泡產(chǎn)生的能力使脫硫效率增勢減緩，一定程度上提高了硫的去除效率。

3 磁場輔助固-液分離

固-液混合現(xiàn)象在我國重工業(yè)發(fā)展中比較常見，傳統(tǒng)的固-液分離法，如離心分離法、重力沉降法、吸附、過濾等方法能實現(xiàn)大部分的固-液分離，但僅僅依靠密度差分離存在一定局限性，為了最大限度提高固-液分離設(shè)備分離效率，利用磁場輔助固-液分離是很有必要的，例如重金屬水溶液的處理方法一般采用添加化學(xué)藥劑調(diào)整酸堿度的方法去除金屬離子，對于部分金屬離子，如鉛離子、鉻離子等采用磁性顆粒吸附和絮凝作用可以大大提高其去除率。如Oka等采用脈沖磁場法和低溫冷卻電磁鐵兩種方法開展重金屬離子吸附試驗，該結(jié)構(gòu)如圖8所示，其工作原理：含鐵離子污水流經(jīng)凈化管道，管道在兩極脈沖磁場作用下通過電動機(jī)驅(qū)動使污水中的含鐵離子雜質(zhì)與鋼球緊密吸附，完成吸附后磁場消退，鐵離子污染物受到壓縮空氣擠壓被排出。當(dāng)前具有代表性的磁場強(qiáng)化固-液分離方法為離心分離法和吸附法，與之對應(yīng)的設(shè)備主要是固-液旋流器和磁盤分離器。

圖8 分離原理簡圖[53]

3.1 固-液旋流器

固-液旋流器和氣-固旋流器作用原理類似，都是利用離心力和磁場輔助作用分離固體與其他流體的設(shè)備，目前該設(shè)備已經(jīng)在礦業(yè)開采方面廣泛應(yīng)用。由于通過離心分離不同密度的礦物和礦漿具有一定局限性，而大部分煤礦成分為鐵磁性物質(zhì)，具有一定的導(dǎo)磁性，引入磁場來協(xié)助旋流器分選礦物是很有必要的。為了最大程度提高礦物分選能力，國內(nèi)外學(xué)者對磁場固-液旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和礦物分選影響因素做了大量的試驗和數(shù)值模擬研究（見表1）。

表1 固-液旋流器在施加磁場前后的參數(shù)對比

早在1963 年，Троцчкцǔ 等開展了磁場旋流器和普通旋流器處理礦漿的試驗研究，該試驗流程如圖9所示，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加磁場強(qiáng)度能提高沉砂效果，為磁場強(qiáng)化固-液分離旋流器研究奠定基礎(chǔ)。后來，人們研究了磁極對數(shù)對分選效果的影響。如1983年，Watson等在旋流腔附近設(shè)置一對異性電磁鐵。1985年，F(xiàn)ricker等在溢流管附近設(shè)計U形電磁鐵，該結(jié)構(gòu)將鐵芯深入溢流管，使得磁極作用間距變小產(chǎn)生更均勻的強(qiáng)磁場，但其作用的旋流腔區(qū)域比較局限。1990 年，Shen 等在Watson 和Fricker 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將原來的1 對磁極增加至8 對，并等間距布置在旋流腔附近，試驗結(jié)果表明磁極對數(shù)越多，磁場能更均勻分布于整個旋流腔，后來郭娜娜等模擬了溢流段兩對電磁鐵的磁場分布，得到了與Shen 等相同的結(jié)論，并研究了磁場在溢流段的徑向分布規(guī)律。

圖9 磁力旋流器試驗流程[62]

固-液旋流器在選礦領(lǐng)域中應(yīng)用較多，為了找到影響磁場強(qiáng)化固-液旋流器分選效果的主要因素，最大程度提高分選效果，學(xué)者開始對磁場作用位置，如入口、旋流腔、錐段、底流段等展開大量的試驗和數(shù)值模擬研究。1993年，為了提高普通水力旋流器對固相顆粒的分離效率，褚良銀等提出磁力水力旋流器的概念并介紹了其工作原理，后來Freeman 等嘗試在切向入口外圍設(shè)置永磁鐵，由于磁鐵對鐵磁顆粒的吸引使進(jìn)入旋流腔內(nèi)部的大部分顆粒貼壁移動實現(xiàn)預(yù)分離，少量未貼壁顆粒在離心力作用下也甩至邊壁面，提高了底流產(chǎn)率；王拴連及金喬分別在溢流口及底流段施加磁場，發(fā)現(xiàn)磁場的施加都能從一定程度上增強(qiáng)固-液旋流器分選能力，磁場作用于底流段相比于溢流段可以產(chǎn)生更好的分選效果。

結(jié)合前人研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磁場是強(qiáng)化固-液旋流器分離能力的主要因素，而磁系的結(jié)構(gòu)直接影響磁場在旋流器內(nèi)部的分布，因此學(xué)者們對磁系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也做了大量研究。樊盼盼等通過試驗對比單一線圈和組合線圈對底流段磁鐵礦的分選效果，發(fā)現(xiàn)組合線圈比單一線圈在徑向上產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度，精煤受到徑向磁場力作用聚集效果明顯；線圈產(chǎn)生的磁場受到匝數(shù)和電流限制無法得到可控范圍的磁場，在線圈基礎(chǔ)上添加導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。如付雙成等在線圈基礎(chǔ)上增加鐵芯和鐵管，研究無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)、線圈包裹鐵管、線圈包裹鐵芯時的磁場分布規(guī)律，對比發(fā)現(xiàn)包裹鐵芯的磁系可以產(chǎn)生高梯度磁場，王拴連等模擬了磁極厚度對磁場分布的影響，發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度隨著磁極厚度增加而增加，精礦回收率大大提高。

綜合學(xué)者們對磁場強(qiáng)化固-液旋流器分選做的試驗研究，結(jié)果均表明適當(dāng)?shù)拇艌鰪?qiáng)度都能提高對旋流器礦渣分選效果，而過小的磁場強(qiáng)度無法提高分選效果，過大的磁場強(qiáng)度不僅不能提高分選效果，反而會造成礦渣過度團(tuán)聚，導(dǎo)致其堵塞出口，使分選效果下降。

3.2 磁盤分離器

磁盤分離器也是一種利用磁場對鐵磁性顆粒的吸附力實現(xiàn)鐵磁性與非鐵磁性物料分離的設(shè)備，目前該設(shè)備已經(jīng)在污水處理方面得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)向礦漿里投入磁性種子、混凝劑實施新的礦井水處理工藝以及磁盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計都能提高固體及金屬雜質(zhì)的去除效果。如徐少華等針對鉛鋅礦產(chǎn)污水，采用有限元數(shù)值模擬優(yōu)化磁盤結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的磁盤大大提高了對固體懸浮物及金屬離子的吸附能力，其中鉛離子的去除能力達(dá)到94.1%，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，攜帶雜質(zhì)的磁性絮狀物在流經(jīng)過流通道時，途徑磁盤區(qū)域被吸附于磁盤表面，隨后磁盤在電機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，將磁性絮狀物甩至卸渣區(qū)域從而實現(xiàn)固-液分離。燕婧等綜合考慮設(shè)備的成本和處理能力，結(jié)合超導(dǎo)磁盤設(shè)計了新的污水處理工藝，即向礦漿投入磁性種子，增強(qiáng)其混凝作用，實現(xiàn)高效分離，礦井水污染物排放量減少了95%。

圖10 磁盤分離機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[67]

4 磁場輔助液-液分離

液-液混合相是石油化工行業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)廢水中比較常見的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為油水混合物等，許多學(xué)者在現(xiàn)有的分離方法基礎(chǔ)上，嘗試引入磁場來提高其分離效率。對于油水混合物，根據(jù)磁場作用對象分別采用的處理方法主要分為兩種，一種是化學(xué)方法，即向混合液中投入磁性種子，通過施加磁性顆粒使得油滴包裹磁粉形成磁性油團(tuán)并在磁場作用下與水相分離，如王利平等將鐵磁顆粒用油酸處理后使其表面形成親油基團(tuán)，攪拌過程中增強(qiáng)了其與油滴的吸附能力；劉琳與張志柳分別采用模擬和試驗的研究方法發(fā)現(xiàn)磁粉與油滴的“碰撞”“攜帶”行為增大小油滴聚結(jié)成大油核的概率。另一種是物理方法，即向混合液中投入電解質(zhì)形成金屬離子水溶液，在電場和磁場的共同作用下受電磁力與油相分離，如張慶范等針對海上薄油問題利用不同導(dǎo)電性流體在電磁場的作用下受力分層的原理，對通電油水混合物施加與其運(yùn)動方向垂直的勻強(qiáng)磁場，帶電的水相流體受磁場力作用與油相分層后進(jìn)入油水分離箱做進(jìn)一步處理實現(xiàn)油水分離；邊江等為了研究電磁場對乳化油的分離特性在張慶范等試驗方法基礎(chǔ)上增加了靜態(tài)試驗，得到了磁場強(qiáng)度大小與油水分離變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電場和磁場的同時施加能顯著提高油水分離效果。

5 有關(guān)磁場的數(shù)值模擬

隨著計算機(jī)水平的提高，有限元分析軟件的處理能力和分析水平也隨之增強(qiáng)，利用計算機(jī)分析復(fù)雜的耦合現(xiàn)象能為實驗提供參考，計算機(jī)分析是研究磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的一個重要環(huán)節(jié)。磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離是通過引入磁場提高混合介質(zhì)分離效率的技術(shù)，相比于一般的分離方法，磁場的引入增加了分析難度。為了提高模擬的準(zhǔn)確性，國內(nèi)外學(xué)者對磁場與其他物理場耦合數(shù)值模擬做了大量嘗試。為了深入了解磁場的發(fā)生和磁場與其他物理場或多相耦合的原理，為磁場強(qiáng)化油水分離數(shù)值模擬提供依據(jù)，本文將數(shù)值模擬研究概括為磁系磁場分布、磁場與磁粉顆粒耦合、磁場與流場耦合三個方面的內(nèi)容（見表2）。目前用來模擬磁場分布和流體流動特性的代表性模擬軟件有ANSYS、COMSOL等。

表2 磁場數(shù)值模擬方法對比

5.1 磁系磁場分布數(shù)值模擬

1998年，Watson等通過計算機(jī)編程模擬超導(dǎo)盤式永磁鐵的磁場沿軸向和徑向的分布規(guī)律，田歡歡則推導(dǎo)了直角三角形線圈的磁場分布規(guī)律，將該規(guī)律以代碼的形式通過MATLAB 模擬得到了與實際磁場分布較為接近的結(jié)果。后來隨著計算機(jī)水平的提高，基于Maxwell 規(guī)律的磁場模擬軟件得到廣泛應(yīng)用。研究者在煤礦分選行業(yè)采用ANSYS 軟件模擬磁系磁場分布規(guī)律，樊盼盼等及郭娜娜等模擬了環(huán)形電磁鐵在固-液旋流器各部位磁場強(qiáng)弱的磁場分布，研究了電磁線圈匝數(shù)、電流大小對磁場分布的影響，根據(jù)模擬和試驗結(jié)果得到了最優(yōu)固-液旋流器操作參數(shù)，Ren 等模擬了橫截面為正三角形、六邊形、八邊形、十二邊形、圓形的磁媒介的分布情況如圖11，發(fā)現(xiàn)棱角越小的磁媒介能產(chǎn)生更大的磁場梯度與磁場強(qiáng)度。磁場在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有研究，熊平等模擬了旋轉(zhuǎn)磁場下導(dǎo)磁材料納米鐵的磁場分布規(guī)律，在不直接觸碰病灶的情況下，采用旋轉(zhuǎn)磁場移動具有導(dǎo)磁性能的靶向藥物，即控制磁場大小和方向從而間接控制藥物的位置實現(xiàn)精確治療效果，具有重大的醫(yī)學(xué)研究意義。

圖11 不同形狀磁媒介的磁場強(qiáng)度分布[83]

5.2 磁場作用于顆粒的數(shù)值模擬

磁性顆粒在磁場中的運(yùn)動軌跡分析相比磁場分布模擬得考慮其運(yùn)動位置的受力情況，比較常用的軟件為多物理場分析軟件COMSOL 以及有限元分析軟件ANSYS。目前通過ANSYS 軟件直接模擬磁性顆粒在流場中運(yùn)動特性是難以實現(xiàn)的，采用自編程方式實現(xiàn)磁場與磁粉顆粒作用的研究相對較多。如劉琳采用自定義函數(shù)方法，定義磁粉顆粒的受力和場的關(guān)系，模擬出磁粉顆粒在油水分離旋流器中“攜帶”“碰撞”的運(yùn)動特性；王發(fā)輝提取磁性顆粒的位置坐標(biāo)并代入定義好的磁力公式，模擬了磁性顆粒在勻強(qiáng)磁場和多磁介質(zhì)情況下的運(yùn)動軌跡；也有研究者推導(dǎo)了磁場規(guī)律的表達(dá)式并將其導(dǎo)入軟件模擬其實際的工況，如磁性納米顆粒在磁場中運(yùn)動特性及磁流體在導(dǎo)線通電后的相互作用規(guī)律等。王彪將顆粒相磁場力模型嵌入MFIX開源代碼中，建立了離散軟球模型，模擬得出了鐵磁顆粒在磁流化床中的運(yùn)動特性；Dvorsky 等分析了亞微米級球形鐵磁顆粒間的磁力，模擬了鐵磁顆粒在外加磁場管道流中顆粒的磁場分布，為鐵磁顆粒受力的理論研究提供了基礎(chǔ)。

相比于ANSYS，COMSOL 自帶的多物理場耦合功能使其操作簡易，模擬結(jié)果更為精確。如李強(qiáng)等采用COMSOL 多場耦合軟件模擬了磁性納米顆粒流體受磁場作用的流動特性，發(fā)現(xiàn)磁性納米顆粒在流經(jīng)磁場強(qiáng)度較大的區(qū)域時會出現(xiàn)絮流現(xiàn)象。Zhang 等為了研究磁場對塑料混合物中磁性顆粒在順磁溶液中的分離效果，用四種不同材質(zhì)的塑料顆粒替代混合物，對顆粒進(jìn)行受力分析，并使用COMSOL 軟件分步計算各個物理場，模擬了磁場分布和顆粒運(yùn)動軌跡，實驗結(jié)果與模擬軌跡十分相近，驗證了受力分析和模擬的準(zhǔn)確性。王鵬凱采用同樣的方法模擬對比了有無磁場的旋流器內(nèi)磁性顆粒在磁力旋流器內(nèi)的運(yùn)動軌跡，并通過正交法設(shè)計實驗優(yōu)化了電磁線圈位置、底流口直徑、進(jìn)口壓力、磁場強(qiáng)度等操作參數(shù)，發(fā)現(xiàn)電磁線圈距離底流口100mm 處、底流口直徑為8mm、電流為2A、進(jìn)口壓力為0.18MPa 時具有最大的回收率，磁種子的回收率最大可達(dá)98.1%，較普通旋流器提高了37%。

Eshaghi 等根據(jù)實驗裝置建立對應(yīng)的磁場力顆粒追蹤公式，模擬了正方體、間隔正方體和外層鍍鎳間隔正方體三種不同永磁體的磁場力分布和粒徑為0.2～7μm微粒與鐵磁流體在T形管內(nèi)的運(yùn)移軌跡，其模擬結(jié)果如圖12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在微粒發(fā)射的5s 內(nèi)，不同粒徑大小的微粒受磁場力和流體阻力共同作用，逐漸發(fā)生偏移并最后分別從兩個不同出口流出，模擬結(jié)果表明管道內(nèi)粒徑大于7μm和粒徑小于0.5μm 的顆粒能實現(xiàn)100%分離，分離效率與磁場力和雙入口的速度比有關(guān)。王芝偉等為了簡化模擬，將磁力視為定值，對在重介質(zhì)旋流器中流動的磁性顆粒進(jìn)行受力分析并建立微分方程，得出了磁粉顆粒在單方向的位移曲線。Sandulyak 等基于傳統(tǒng)力學(xué)方法對鐵磁顆粒在磁場內(nèi)的運(yùn)動進(jìn)行受力分析，得出顆粒在永磁體磁場速度隨各物性參數(shù)的變化規(guī)律。Rogers 等使用MATLAB軟件模擬粒徑為50～400nm的FeO磁性顆粒的移動軌跡和受磁場力規(guī)律，對比模擬流量為0.25mL/min 和50mL/min 時顆粒粒徑的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低流速回收的顆粒粒徑較高速時更小，該模擬考慮流體內(nèi)磁性顆粒之間的作用力和磁場力，模擬與實驗結(jié)果相符。

圖12 顆粒在T形管內(nèi)隨時間變化的粒徑分布[96]

5.3 磁場與流場耦合數(shù)值模擬

黃祺洲結(jié)合MATLAB、ANSYS 軟件，將ANSYS 磁場模擬結(jié)果的文件通過MATLAB 格式轉(zhuǎn)換為mag文件類型，再導(dǎo)入FLUENT里磁流體力學(xué)（magnetic hydrodynamics，MHD）模塊實現(xiàn)電磁攪拌器內(nèi)部磁場對金屬熔體流動特性的模擬，其金屬熔體受到攪拌磁場作用后的速度流線如圖13所示，可以看出金屬熔體的速度流線呈圓環(huán)形，具有明顯的梯度變化，說明該模擬方法能有效地反映磁場與磁性流體之間的相互作用。李茂旺等研究了電磁攪拌器作用下結(jié)晶器內(nèi)部流場和磁場分布情況，將ANSYS 中MAXWELL 模擬的小方坯磁場參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入至ANSYS FLUENT 軟件里的MHD 模塊的動量方程，采用有限體積法求解Navier-Stokes方程實現(xiàn)了磁場和流場的耦合模擬。徐婷等采用CFX軟件的MHD 模塊進(jìn)行磁場和流場的耦合計算，模擬鋼水在中間包內(nèi)部有無磁場條件下的運(yùn)動狀態(tài)；楊光等同樣采用FLUENT軟件模擬了金屬熔體在旋轉(zhuǎn)磁場作用下的流動特性；蔣文明等設(shè)計一種電磁場油水分離裝置，并針對該裝置建立模型，調(diào)用FLUENT 軟件內(nèi)UDF 自定義函數(shù)功能施加電磁場，研究電流密度、磁場強(qiáng)度對導(dǎo)電水溶液分離效率的影響。

圖13 金屬熔體受磁場作用速度流線圖[100]

6 結(jié)語

磁場作為一種外加力場，常常與重力場、電場等物理場耦合以促進(jìn)非均相介質(zhì)分離，如今在處理含磁性雜質(zhì)的污水凈化、選礦、磁性顆粒除雜等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。非均相介質(zhì)的分離僅僅靠一種力場會存在局限性，通過磁場輔助強(qiáng)化，可以為改善處理效果發(fā)揮作用。為充分發(fā)揮磁場對多相介質(zhì)分離的優(yōu)勢，在今后的研究中，仍存在以下問題待解決。

（1）為體現(xiàn)磁場與流場耦合的數(shù)值模擬的可靠性，需深入開展相關(guān)的試驗研究。

（2）磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的性能與磁場分布、設(shè)備結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，應(yīng)綜合考慮磁系磁場分布、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及操作參數(shù)等因素。

（3）非磁性流體多相介質(zhì)的分離具有一定難度，可采用外部施加磁場并輔助投加磁性介質(zhì)的方法，利用磁性介質(zhì)受磁場力作用間接促進(jìn)非磁性介質(zhì)的高效分離。

（4）磁場強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法在許多行業(yè)都有涉及，應(yīng)深入開展理論研究，為試驗和模擬分析提供依據(jù)。