基于FLUENT的磁流变液的流动行为仿真

白玉 范远华

摘 要：对磁流变液在不同条件下的流动行为进行分析，利用Gambit建立了磁流变液的俯视二维简化模型并对其进行了网格划分。应用FLUENT对不同入口速度和障碍物大小条件下磁流变液中基础油的流动行为进行了仿真模拟，得出不同障碍大小和入口速度下的速率变化云图，分析表明仿真效果能较好的模拟磁流变液的真实流动状态，能较好的解释磁流变液在不同剪切速率和链聚集程度下的流动行为。

关 键 词：FLUENT；磁流变液；流动行为

中图分类号：TH 117.1 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1651-03

Flow Behavior Simulation of Magnetorheological Fluid Based on FLUENT

BAI Yu1，FAN 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

磁流变液是由磁性颗粒、基础油和添加剂组成的一种新型的智能材料，因其具有优异的流变特性而广泛运用于阻尼器振动控制、确定性抛光、机械密封、动力传递、液压系统等领域之中，关于其性能、机理和应用的研究已经迅速成为受到广泛关注的热点[1-3]。本文基于FLUENT分析利用Gambit建立了磁流变液的俯视二维简化模型并对其进行了网格划分，仿真模拟外磁场作用下磁流变液的流动行为，分析羰基铁粉链束结构粗细和剪切速率对磁流变液流动状态的影响，得出不同障碍大小和入口速度下的变化云图，分析结果提出了磁流变液流动状态FLUENT仿真进一步改进方法，为磁流变液流动状态研究提供了借鉴。

1 假設条件与模型建立

磁流变液[4-6]是一种由软磁性颗粒均匀悬浮在基础油中混合而成的智能材料，在外磁场的作用之下，磁性颗粒会定向排列，进而相互吸引成为链束状结构，这种链束状结构阻碍基础油的流动，从而赋予磁流变液一定的固体特征，这就是磁流变性能产生的基础。磁流变液的链化过程可以用图1-2表示[7]：

图1 无磁场下铁磁性颗粒的三维分布示意图

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

图2 有磁场下铁磁性颗粒的三维分布示意图

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

从图2中可以看出，有场条件下磁性颗粒定向排列成链束状结构，为方便模拟，本文做出以下3个近似假设：

（1）所有的磁性颗粒均为球型，且形成的链束为较粗的均匀圆柱状结构；

（2）链束之间没有相互作用，且距离相互固定；

（3）链束空间位置固定，不随剪切流运动。

经过以上假设，可以使用FLUENT的前置软件Gambit绘制网格。由于本文模拟的流场在Z轴方向没有速度梯度，所以本文绘制的网格采用俯视二维模拟流场区域，将磁性颗粒形成的链束结构模拟为流场中的圆形障碍（图3）：

图3 流场网格

Fig.3 The grid of flow field

模拟计算区域为30 mm×10 mm的管道，左边入口为速度入口，上下两边以及障碍设置为墙壁，管道横坐标10、15、20 mm及纵坐标2.5、5、7.5 mm处一共设置9个圆形障碍，大障碍直径1 mm，小障碍直径0.4 mm。

2 障碍大小对流场速度的影响

将已绘制的网格引入FLUENT软件中，设置材料为硅油，入口速度为20 m/s，使用简单二维层流模型进行计算，可以得到如下的流速云图4-5：

图4 流场中障碍较小时的流速云图

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

图5 流场中障碍较大时的流速云图

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

分析不同障碍大小的流速云图可以看出，在入口速度一致的条件下，管道前段流速分布差别很小，随后流速呈递减的趋势，在遇到障碍的阻挡之后，流速很快降低。障碍物较为集中的管道中部区域流速降低最明显，而在靠近管壁远离障碍物的位置反而出现了流速较快的区域，从图中可以看出这种远离障碍位置的高流速区域几乎不受障碍物大小的影响，这可能是因为这部分流体并未进入障碍区域内部，而是绕过整个障碍区域流动，因此可以将整个障碍区域看作一个大障碍，流体绕过这个障碍流动，导致边缘流体流速较快且与9个障碍的大小无关。

分析障碍物区域，对比大障碍和小障碍对流体流动的阻碍可以看出，大障碍对流体流动的阻碍作用更加明显，流体的速度降低更多，说明当流场中障碍物较大时，流体的流动更加困难。这在磁流变液中宏观表现为磁性颗粒链束结构聚集程度越高、链束越粗对基础油的流动阻碍作用更为明显，磁流变液抵抗外力作用的能力越强，体现出更强的磁流变效应，这与现有研究得出的结论一致[4]，而影响磁流变液中链束结构聚集状态和粗细程度的因素有很多，包括磁性颗粒自身的静磁性能、颗粒大小、外加磁场大小、剪切速率等。

3 入口速度对流场速度的影响

设定相同的障碍大小，将入口速度分别设置为10、20、30 m/s，模拟在不同入口速度下流场的流动状态，得到结果如图6-8：

图6 入口速度为10m/s时的流速云图

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

圖7 入口速度为20m/s时的流速云图

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

图8 入口速度为30m/s时的流速云图

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

分析不同入口速度的流速云图可以看出，在障碍物大小相同而入口速度不同的情况下，磁流变液的流场状态有所不同，整体体现出入口速度越大，受到阻碍作用越强的现象，这可以解释为入口速度较大的流体进入障碍区域之后受到障碍的阻碍，流速较大的流体在与障碍发生碰撞以及自身挤压时损耗了更多的动能，导致其流速降低更明显。

这种现象与磁流变液流变行为的宏观表现是相符合的，可以将入口速度近似理解为剪切速率，在剪切速率不同的条件下，磁流变液的剪切应力体现出不同的特征，剪切应力也就是上文近似模拟的流体受到的阻碍作用。当入口速度较小时，基础油的流动受到磁性颗粒的阻碍作用较小如图6所示，宏观表现为剪切应力较小；而当入口速度逐渐增大，基础油受到的阻碍作用也逐渐增强，呈现出较高的剪切应力如图7所示；而随着入口速度的进一步升高，磁流变液的剪切应力不再明显增加如图8所示，而是由磁性颗粒自身最大磁饱和强度和外场强度决定。

4 基于FLUENT分析磁流变液流动状态的几点思考

本文采用FLUENT仿真的方法初步研究了磁流变液在不同链束聚集状态和不同剪切速率下的流动状态，得出了与实验结果较为符合的仿真模拟结果，受限于本文所采用的假设条件与简化的磁流变液内部流动模型，本文并未做到对各类各种条件下磁流变液流动状态的模拟，基于以上分析，针对FLUENT分析磁流变液流动状态研究笔者提出以下几点思考：

第一：本文将磁流变液中磁性颗粒所成链模拟为一个形状规则的圆柱体，这是简化了的磁性颗粒成链情况。考虑到磁性颗粒成链的形状可能并不规则，有多种链形态，链束与链束之间也存在大量的交联、合并，甚至形成三维的网格状结构，下一步研究中可以针对复杂链束状态下的磁流变液流动行为加以研究。

第二：磁性颗粒在外场作用下成链，当受到一定的剪切作用时，这些链束会相应地发生移动、偏斜、锻炼和重组，且随着剪切速率增加这种现象越发明显。所以在进一步研究中，可以将链束结构在计算区域内的“流动”考虑在内，模拟流场区域内固—液两相的流动和相互作用，从而更加真实地模拟磁流变液的流动状态。

第三：在本研究的基础上可以使用FLUENT MHD模块对磁场条件下流变行为进行仿真。FLUENT MHD模块能够模拟电磁场和流体间的相互作用，能够仿真均匀磁场和振荡状态下磁流体的流动行为，可以较好地模拟真实情况下磁流变液的流变行为，为下一步研究提供支撑。

5 结束语

本研究利用FLUENT软件对不同入口速度和障碍物大小条件下磁流变液中基础油的流动行为进行了仿真模拟，结果表明大障碍对流体流动的阻碍作用更加明显，这与磁流变液宏观表现为磁性颗粒链束结构聚集程度越高、链束越粗对基础油的流动阻碍作用更为明显，体现出更强的磁流变效应结论一致。入口速度越大，流体受到阻碍作用越强的现象，但随着入口速度的进一步升高，流体阻碍作用会逐渐平衡，很好的解释磁流变液在不同剪切速率和链化聚集程度下的流变行为，为磁流变液流动机理研究提供了借鉴。

参考文献：

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