二维磁流体方程的高分辨率旋转通量格式

若待解方程满足旋转不变性,则可通过旋转通量法有效消除近似Riemann求解器的激波不稳定现象,抑制非物理现象的产生。针对二维理想磁流体(MHD)方程和浅水波磁流体(SWMHD)方程,构造了通量函数的类旋转矩阵,给出了方程的旋转不变性证明;根据该性质对控制方程做类一维处理,推导了方程的半离散旋转通量格式;利用通量限制器,将熵稳定通量和反扩散通量进行加权组合,得到能够自适应调整耗散量的高分辨率旋转通量格式。数值实验表明,此格式能精确捕捉解的结构,分辨率高、鲁棒性强,且易向高维推广。

微分求积法分析碳纳米管磁流体输送系统的稳定性

基于磁流体动力学方程及非局部欧拉-伯努利(Euler-Bernoulli)梁模型,建立了轴向磁场作用下单壁碳纳米管磁流体输送系统的振动微分方程.应用微分求积法(DQM),在固支边界条件下,求解此高阶偏微分方程,着重研究管内磁流体效应、轴向磁场、小尺度参数(磁流体克努森数Kn与碳纳米管小尺度系数)对该系统振动与失稳特性的影响.数值计算结果表明,轴向磁场提升系统刚度及系统稳定性,而小尺度参数降低系统稳定性.更重要的是,固支边界系统中磁流体在磁场作用下,降低输送系统的刚度,但能提升输送系统的稳定性.

大型土工离心机磁流体密封结构性能研究

大型土工离心机由于主轴轴径大、线速度高,使得现有磁流体密封结构很难满足安装、发热等要求。设计一种新型剖分式磁流体密封装置,利用有限元数值分析方法研究剖分式结构变形、极靴组件结构参数对密封性能的影响及密封装置温度分布,考虑实际加工能力,运用正交试验对结构参数进行优选。结果表明:结构参数对密封性能的影响程度由大到小依次为密封间隙、永磁铁高度、永磁铁宽度、槽宽、齿宽、齿高;优化后密封装置的各结构参数分别为密封间隙0.5 mm、齿宽2 mm、齿高2 mm、槽宽2.8 mm,永磁铁宽度11 mm、永磁铁高度22 mm;优化后的密封压力值为0.97 MPa,高于未优化前的0.54 MPa,同时高于工况要求的0.1 MPa;大轴径磁流体密封在工作时,存在轴套积热问题,需要在轴套部位开设冷却腔。

CTAB/SDBS水基囊泡相磁流体制备及稳定性研究

以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)和阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)为原料复配自发形成囊泡相,并以其为微反应器,Fe^(2+)和Fe^(3+)在囊泡内发生反应,得到平均粒径为20m的Fe_(3)O_(4)纳米晶囊泡分散液作为水基磁流体。采用广角X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、磁滞回线(VSM)等对合成的Fe_(3)O_(4)纳米晶以及磁流体进行分析表征。结果表明,以合适的阴阳离子表面活性剂获得的囊泡相为微反应器形成的水基囊泡相磁流体,在室温稳定性优良,静置60h其稳定性系数仍然可达97%。在磁场反复作用后,囊泡相水基磁流体仍具有良好的稳定性,其中的Fe_(3)O_(4)纳米粒子颗粒均匀,具有超顺磁性特征,磁饱和度达到59emu/g。

一类带有非线性阻尼项的磁流体动力学方程组的解的整体存在性

本文研究在多孔介质意义下的一类带有非线性阻尼项a|u|^(α-1)u(a> 0)的不可压的磁流体动力学方程组的解的整体存在性问题,通过古典的能量方法和Sobolev紧性嵌入方法获得了解的整体存在性,利用Gagliardo-Nirenberg插值不等式和其它的一些重要不等式得到了解的正则性结果,建立了弱解和强解的整体存在性,这些结果在很大程度改善了之前相关文献的结果,揭示了磁流体运动的物理现象,为磁流体动力学的发展提供了必要的理论基础.

高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲

高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。

磁流体动压润滑非接触式机械密封中的磁场分析

为研究磁流体润滑非接触式机械密封的磁场特性,运用Ansoft Maxwell数值模拟磁流体膜和密封环组成的密封系统的磁场强度和磁感应强度,分析磁流体膜厚和电流强度对磁场强度和磁感应强度的影响,用最小二乘法拟合磁流体膜的磁感应强度和电流强度的关系式。结果表明:磁感线在密封系统中形成了完整的“O”形回路,磁流体膜中的磁场强度最大,磁感线在磁流体膜中分布均匀,且垂直穿过磁流体膜;当电流强度恒定时,磁流体膜中的磁感应强度和磁场强度沿厚度方向可视为常数;随着电流强度的增加,磁流体膜的磁感应强度和磁场强度均增加。

密封结构参数对安全阀磁流体密封压力的影响

为探讨安全阀磁流体密封性能与结构关键参数的关系,以安全阀磁流体密封装置作为研究对象,利用有限元分析软件计算出密封间隙内磁感应强度变化值,计算在不同密封结构关键参数下密封间隙内耐压值并对其进行分析,最终得到各参数之间的相互关系从而为提高密封能力提供指导。研究结果表明:当极齿齿槽宽度为3mm时,密封压力最大值在极齿宽度2mm处;当极齿宽度为3mm时,密封压力最大值在齿槽宽度2.5mm处;将矩形极齿改为单侧斜角极齿30°,密封压力会整体上升且最大值在极齿齿槽宽度3mm、极齿宽度1.5mm处;改变剩磁大小会影响磁感应强度但磁感应强度差值不变,对于密封压力最优值没有影响。这些规律为安全阀磁流体密封装置的设计提供了理论参考。

基于微流控技术的磁流体对外加磁场及温度的太赫兹特性研究

磁流体是将超微磁性粒子均匀地分布在载基液中,形成的胶态液体磁性材料,它打破了传统固体磁性材料的形态,是一种同时具有固体磁性和液体流动性的新型材料,具有非常广泛的应用前景。目前磁流体已经被应用于医学领域,已有研究表明,磁流体可被用于癌细胞的治疗、细胞的分离以及靶向给药等;另外,磁流体还可以应用于密封、润滑等方面。太赫兹波是指频率范围在0.1~10 THz,波长范围在30~3000μm的电磁辐射。由于许多生物分子的振动和转动模式均处于太赫兹波频段,并且太赫兹波的能量较低,不会破坏被测物品,所以太赫兹波可用于无损检测,是一种安全可靠的测量方法。微流控技术可用于对极少量液体样品的测量,具有操作简单、检测速度快、节约被测样品等优点。该研究将太赫兹技术与微流控芯片技术相结合,通过改变外加磁场的时间和温度,研究了磁流体的太赫兹时域谱和频域谱的变化情况,发现在外加不同时间的磁场强度时,随着时间的增加,磁流体的太赫兹时域谱图右移,频域谱图强度下降;外加不同温度时,随着温度的增加,同样出现时域谱图右移,透射强度降低的现象。初步认为磁流体中的磁性粒子在外加磁场下聚集定向排列,随着时间的延长,近似认为纳米粒子团簇半径增大,使得太赫兹波不易透过从而使其强度变低;在温度升高时,分子热运动加剧,分子振动和转动加强,使得太赫兹波不易透过进而强度变低。由于利用太赫兹研究磁流体特性方面的相关报道较少,该研究为探究磁流体提供了新的方法;对外加磁场下的磁流体太赫兹特性的研究可在医学领域的广泛应用,为太赫兹技术在生物医学方面提供了新的途径,为磁流体的深入应用和研究提供了技术支持。

低温液压油基纳米磁流体的制备与流变特性研究

如何在纳米磁流体的磁流变效应和沉降稳定性之间取得平衡是值得研究的问题,增大颗粒尺寸可能是解决这一问题很好的选择。采用可控的化学共沉淀法合成了粒径约为25 nm的Fe_(3)O_(4)磁性颗粒,并对其进行了物相分析和磁性能表征。以肉豆蔻酸为表面活性剂、RP4350型航空液压油为分散相制备了纳米磁流体,其在强磁场下能长时间保持稳定,适用温度范围为-35~95℃。研究了纳米磁流体磁流变特性随磁场强度和温度的变化规律。结果表明,在低温和强磁场的作用下,纳米磁流体具有更大的屈服应力,最高可达0.16 kPa,即使在屈服以后,样品也能表现出更强的磁黏效应。采用振幅扫描对纳米磁流体动态流变特性进行了测试。磁场强度的增大和温度的降低可以有效增强纳米磁流体的抗剪切能力,从而导致储能模量的升高;线性粘弹性(LVE)区、储存模量和损失模量的交叉点也均会向更高应变幅值移动。这些发现有助于大颗粒在纳米磁流体中的研究,可以为其在更宽温度中的应用提供指导。

环保型植物复合油基Ni_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)磁流体的稳定性和低温流变性

植物油作为纳米磁流体基载液存在不良冷流动行为问题,聚甲基丙烯酸酯的添加有望降低植物油倾点和提高植物油基磁流体低温流动性。以聚α-烯烃(PAO-8)和玉米油作为复合基载液,以聚甲基丙烯酸酯为降凝剂,制备新型环保型磁流体,研究其沉降稳定性。从磁场、温度、Ni_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)质量分数、PAO-8、降凝剂添加量等角度,利用旋转粘度计研究了不同温度下纳米磁流体的低温流动性能。结果表明不采用表面活性剂、100 mL玉米油和25%的PAO-8的混合物作为复合基载液、Ni_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)质量分数为0.767%,制得的纳米磁流体沉降稳定性最佳。添加0.5%聚甲基丙烯酸酯的磁流体具有更好的低温流动性能,倾点达到-36℃。无磁场条件下,当温度低于-25℃时,磁流体黏度骤增,呈指数上升趋势,磁流体低温流动性变差;磁场条件下,纳米磁流体的黏度与磁场强度呈正相关,且磁场强度大于20 mT时黏度曲线变化明显。制备的纳米磁流体具有环保、低温流动性能好的特点,可应用于低温工况,研究有助于环保型磁流体低温应用的进一步发展。

基于磁流体轴承的大载荷磁流体二维导轨平台研究

在现有的精密机床中,空气静压导轨平台存在阻尼突变、载荷不高的问题,基于磁流体轴承,提出了一种大载荷磁流体二维导轨平台。首先,对基于磁流体的导轨平台关键问题进行了研究,包括空气损耗问题和磁流体尾迹问题;然后,采用磁流体压力轴承设计了一个双U形导轨平台结构,并将顶部、底部和侧部轴承垫紧密地放置在一起,从而在动子上形成了一个储液层;采用上下磁化配置的导轨平台具有6个轴承垫,每个轴承垫由多个小型磁体组成;其次,对载荷能力、刚度和涡流阻尼进行了数值模拟;最后,选用了煤油基磁液、铝材和铁素体不锈钢制备了一台平台样机,进行了平台的性能测试,对该导轨平台的有效性进行了验证。研究结果表明:该平台的平面度为±7μm,具有较高的可重复性,明显优于现有基于磁流体轴承的精密运动系统;在相同行程和尺寸条件下,与气动平台相比,该平台的最大有效载荷为140 N,提高了40%;阻尼在2 N·s/m至4 N·s/m之间相对恒定,且可预测,解决了气动平台的阻尼突变问题,有利于实现导轨平台高精度定位的目的。

传统密封与磁流体密封在水轮机主轴上的运用分析

传统密封技术在水轮机主轴上应用广泛,但随着技术的发展和设备性能的提高,传统密封技术的局限性逐渐显现。而磁流体密封技术作为一种新兴的密封技术,具有无接触、无磨损、高密封性能等优点,为水轮机主轴密封技术的发展提供了新的方向。对此,针对传统密封与磁流体密封在水轮机主轴上的运用进行分析,探讨两种技术的优缺点与发展趋势。

基于磁流体填充微腔结构的光纤磁场矢量传感器

研制了一种基于磁流体填充的微腔式马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)结构的高灵敏的光纤磁场矢量传感器。采用大错位熔接三段单模光纤形成开腔结构,便于将磁流体注入传感器的开腔中,将MZI传感器封装在注有稀释磁流体的玻璃毛细管制成磁场传感器。由于磁流体的折射率会随着施加磁场的变化而改变,MZI的传输光谱会相应发生漂移。通过监测传输光谱的波长漂移,可以检测磁场强度。实验结果表明,具有轴向不对称结构的开腔式MZI传感器具有测量磁场的能力,在3.0~10.0 mT的磁场范围内灵敏度高达-5.51 nm/mT。该MZI磁场传感器由于其灵敏度高、结构紧凑、成本低的优点,适用于磁场测量。

高温磁流体动密封结构散热特性分析与优化

针对某型高温磁流体动密封结构在工作时磁流体温度过高的问题,提出了在原有结构上增加冷却水道和隔热气孔的结构优化方案,以降低高温工作环境中的磁流体工作温度,使其工作温度在要求的工作范围内。通过对比该密封装置在结构优化前后两种热源温度下的温度场、压力场和速度场,进而分析该密封结构的散热特性及优化的可行性。分析结果表明,温度和结构的变化对压力场和速度场并无明显影响;增加散热水道和隔热气孔能有效降低整体结构温度。优化后,在热源温度为700℃或500℃时,磁流体域最高温度分别降低了173℃和95℃,均极大地降低了磁流体在工作时的温度。该结构优化方案可将磁流体的温度降低至正常工作范围,提高结构的使用寿命,并为磁流体密封结构的优化提供了一定的参考。

面向磁流体增强的骨架结构微成型设计及回弹特性研究

为提高磁流体密封液膜的刚度和抗压力性能,设计一种应用于磁流体密封的翻边Z型增强骨架,该骨架由软磁金属薄板微成型冲压而成。对软磁金属电工纯铁和无取向硅钢进行单向拉伸试验,得到2种材料的应力应变曲线。利用幂硬化准则对Z型骨架成型回弹特性进行理论分析,确定影响回弹的主要因素为材料参数、厚度、弯曲半径、开孔宽度等。利用有限元软件对成型回弹过程进行仿真,应用因素水平分析,以残余应变和最大回弹量为指标,分析板胚厚度、弯曲半径、开孔宽度对回弹的影响。仿真结果表明:在研究的范围内通过增大板胚厚度、减小弯曲半径、减小翅片宽度能有效降低骨架回弹;当厚度为0.3 mm,弯曲半径0.3 mm,翅片尺寸为2 mm×1 mm时骨架成型回弹量最小,运用硅钢材料比纯铁具有更小的回弹量。研究结果对软磁金属的微成型冲压及磁流体密封复合材料设计提供了参考。

硅油基磁流体润滑轴承液膜静态特性分析

采用磁流体作为润滑介质可优化滑动轴承的性能,实现可控的动压润滑。为提高磁流体的油膜特性,对性能较优的硅油基磁流体进行油膜静态特性研究。针对硅油基磁流体润滑的滑动轴承,考虑空化效应,采用数值分析方法研究不同工况下润滑膜的静态特性。结果表明:转速对油膜承载力的提升有限,摩擦力随着转速的提升而增大;偏心率对油膜压力及油膜承载力的提升效果显著,最高压力区域随着偏心率的增大逐渐向最小油膜厚度方向移动,摩擦力随偏心率增大而略微减小;磁场强度的增加可以提高油膜承载力,但增幅取决于转速与偏心率,最大增幅随偏心率的增大而增大以及随转速的增大而减小。研究结果可为磁流体轴承的设计提供一定参考。

基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法

特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型,并通过该仿真研究了上述关键参数与电弧电导的关系,建立了改进Mayr电弧模型;其次,搭建了VFTO仿真模型,采用改进Mayr电弧模型和多种传统电弧数学模型计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形;最后,对比分析了各电弧模型的仿真结果与实测结果波形特征的相对误差。结果表明,改进Mayr电弧模型的VFTO仿真结果与实测结果的相对误差较小,计算准确度较高。

超低温结晶器磁流体密封设计及仿真优化分析

针对传统密封应用在结晶器时存在泄漏及磨损等难题,以连续冷冻结晶器为研究对象,设计一种带有升温功能的新型磁流体密封装置。通过有限元软件对磁场及温度场进行分析,得到关键参数对密封耐压值的影响;采用正交实验法对参数进行优化,并采用控制变量法分析不同热水质量流率及密封间隙对磁流体温度的影响。结果表明:结构参数对密封性能的影响程度依次为:密封间隙>永磁体高度>永磁体宽度>槽宽>齿宽>齿高;优化后各结构参数为密封间隙0.3mm、极齿宽度1.2mm、槽宽3.6mm、极齿高度3.2mm时,密封耐压值为0.503MPa,高于优化前的0.384MPa;由于工况温度较低,为保障磁流体密封正常工作,需通入质量流率大于0.1kg/s的常温水。

理想磁流体方程的MUSCL-型熵相容格式研究

针对磁流体动力学方程,本文提出了一种基于MUSCL-Hancock方法求解MHD方程的熵相容格式(EC-MHM格式),获得了一种求解理想磁流体动力学方程的高分辨率熵相容格式。该格式在解的光滑区域具有高精度;在解的间断区域可以合理地控制耗散,使抹平现象得到改善,还可有效避免非物理现象的产生。文中还证明了熵相容格式的收敛性。采用熵稳定格式、熵相容格式和新的高分辨率熵相容格式对理想磁流体动力学方程进行数值模拟。结果表明:新格式能准确地捕捉解的结构,且具有无振荡、高分辨、鲁棒等特性。Focusing on the idea magnetohydrodynamic (MHD) equations, this paper presents an entropy-consistent scheme based on the MUSCL-Hancock method for solving MHD equations, termed the Entropy Consistent MUSCL-Hancock (EC-MHM) scheme, and thus achieving a high-resolution entropy-consistent formulation for solving ideal MHD equations. This scheme exhibits high accuracy in smooth regions of the solution and effectively controls dissipation in discontinuous zones, leading to an improvement in the smearing phenomenon and efficiently preventing the emergence of non-physical oscillations. The convergence of the entropy consistent scheme is also proved. The ideal MHD equations are numerically simulated by entropy stable scheme, entropy consistent scheme and the new high resolution entropy consistent scheme. The results show that the new scheme can accurately capture the structure of the solution, and has the characteristics of no oscillation, high resolution and robustness.