叠加静磁场作用下电磁悬浮熔融液滴对流不稳定特征及其失稳机理

电磁悬浮法是测量高温熔体热物性、实现高纯度及高活性金属无容器熔炼技术的理想手段，叠加静磁场能够抑制熔融液滴的对流和振荡，有助于提高物性参数的测量精度、改善合金的性能。然而，目前对叠加静磁场后液滴对流不稳定现象及其失稳机理的认识还十分缺乏,它是一种新的非平衡热力学对流不稳定性问题。项目以实验观测、数值模拟结合理论分析的办法，研究轴向静磁场作用下电磁悬浮熔融液滴的对流不稳定现象及其失稳机理。内容包括：实验观测熔融液滴的流动和传热特征，观测静磁场对液滴振荡及界面变形的影响；采用相场法数值模拟液滴的流场、温度场和电磁场，模拟液滴的对流振荡及界面变形过程，阐明液滴对流的不稳定特征；分析静磁场对液滴对流及其稳定性、界面振荡、变形和自旋的影响，揭示液滴对流失稳的热物理机理。研究对丰富和发展静磁场作用下对流不稳定性问题具有重要的理论意义和科学价值，并可望对改善热物性测试和无容器熔炼技术提供重要的理论依据。

电磁悬浮法是测量高温熔体热物性参数的重要手段之一，然而交变电磁场作用下洛伦兹力导致悬浮液滴强烈的对流和振荡会影响物性参数的测量精度，已有研究发现叠加静磁场可以有效抑制对流和振荡，但叠加静磁场后，电磁悬浮液滴的三维不稳定特征、失稳机理等尚不清楚，它实际上属于叠加静磁场作用下电磁悬浮熔融液滴对流不稳定性问题，是一个新的非平衡热力学对流不稳定性问题。项目以此为研究对象，采用实验观测、数值模拟结合理论分析的办法，重点研究了叠加轴向静磁场作用下电磁悬浮熔融液滴的流动和传热特征，分析了静磁场对它们的影响，研究了静磁场对对流不稳定性、界面变形、振荡和自旋的影响，分析了线圈结构、倾角、涡流效应对电磁悬浮液滴对流和稳定性的影响。我们搭建完成了一套叠加静磁场的电磁悬浮实验系统，该实验系统采用永磁体作为静磁场组件，投资少、便于维护。实验发现，当施加0.15T的静磁场，与未加静磁场时相比，熔融铜液滴俯视图轮廓线与x轴和y轴的交点坐标之差R-、椭圆面积A和椭圆长轴长度Dmax的振幅分别减小了25%，76%和60%，并发现静磁场抑制了悬浮铜液滴的旋转、提高了悬浮液滴的稳定性。另一个创新之处是，该系统采用横向静磁场，而现有研究中往往采用轴向静磁场。我们的数值模拟表明：相同静磁场强度下，横向静磁场对流动的抑制作用比轴向静磁场强。我们注意到线圈的涡流效应对电磁悬浮液滴的影响，计算了线圈产生的电磁场，发现线圈涡流效应会明显增大液滴区域磁场的大小，提高了悬浮力和吸收功率。数值模拟了线圈倾角对悬浮液滴界面动态变形和稳定性的影响，随着倾角的增加，液滴内对流速度和温度均减小。倾角为12°时，液滴的变形最大，这不利于悬浮的稳定性。数值模拟了静磁场对悬浮液滴动态变形及稳定性的影响，发现当磁场强度较小时，液滴的稳定悬浮位置低，变形剧烈。随着磁场强度的增加，悬浮位置逐渐升高并趋于稳定，液滴的变形减小。这些研究对丰富和发展叠加静磁场作用下电磁悬浮熔融液滴对流不稳定性问题具有重要的学术价值，对改善热物性参数测试技术具有重要的指导意义。至此，项目的主要研究内容已经完成，共发表学术论文14篇，其中SCI/EI论文9篇（其中SCI论文4篇，含2篇SCI刊源论文，EI论文5篇），授权和申请发明专利共2项，授权软件著作权1项，参加学术会议7次，培养在读博士研究生2名、毕业硕士研究生4名，超额完成了项目的预期目标。