基于FLUENT的磁流變液的流動行為仿真

白玉 范遠華

摘 要：對磁流變液在不同條件下的流動行為進行分析，利用Gambit建立了磁流變液的俯視二維簡化模型并對其進行了網格劃分。應用FLUENT對不同入口速度和障礙物大小條件下磁流變液中基礎油的流動行為進行了仿真模擬，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流動狀態，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行為。

關 鍵 詞：FLUENT；磁流變液；流動行為

中圖分類號：TH 117.1 文獻標識碼： A 文章編號： 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

磁流變液是由磁性顆粒、基礎油和添加劑組成的一種新型的智能材料，因其具有優異的流變特性而廣泛運用于阻尼器振動控制、確定性拋光、機械密封、動力傳遞、液壓系統等領域之中，關于其性能、機理和應用的研究已經迅速成為受到廣泛關注的熱點[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化模型并對其進行了網格劃分，仿真模擬外磁場作用下磁流變液的流動行為，分析羰基鐵粉鏈束結構粗細和剪切速率對磁流變液流動狀態的影響，得出不同障礙大小和入口速度下的變化云圖，分析結果提出了磁流變液流動狀態FLUENT仿真進一步改進方法，為磁流變液流動狀態研究提供了借鑒。

1 假設條件與模型建立

磁流變液[4-6]是一種由軟磁性顆粒均勻懸浮在基礎油中混合而成的智能材料，在外磁場的作用之下，磁性顆粒會定向排列，進而相互吸引成為鏈束狀結構，這種鏈束狀結構阻礙基礎油的流動，從而賦予磁流變液一定的固體特征，這就是磁流變性能產生的基礎。磁流變液的鏈化過程可以用圖1-2表示[7]：

圖1 無磁場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，有場條件下磁性顆粒定向排列成鏈束狀結構，為方便模擬，本文做出以下3個近似假設：

（1）所有的磁性顆粒均為球型，且形成的鏈束為較粗的均勻圓柱狀結構；

（2）鏈束之間沒有相互作用，且距離相互固定；

（3）鏈束空間位置固定，不隨剪切流運動。

經過以上假設，可以使用FLUENT的前置軟件Gambit繪制網格。由于本文模擬的流場在Z軸方向沒有速度梯度，所以本文繪制的網格采用俯視二維模擬流場區域，將磁性顆粒形成的鏈束結構模擬為流場中的圓形障礙（圖3）：

圖3 流場網格

Fig.3 The grid of flow field

模擬計算區域為30 mm×10 mm的管道，左邊入口為速度入口，上下兩邊以及障礙設置為墻壁，管道橫坐標10、15、20 mm及縱坐標2.5、5、7.5 mm處一共設置9個圓形障礙，大障礙直徑1 mm，小障礙直徑0.4 mm。

2 障礙大小對流場速度的影響

將已繪制的網格引入FLUENT軟件中，設置材料為硅油，入口速度為20 m/s，使用簡單二維層流模型進行計算，可以得到如下的流速云圖4-5：

圖4 流場中障礙較小時的流速云圖

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

圖5 流場中障礙較大時的流速云圖

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，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域流速降低最明顯，而在靠近管壁遠離障礙物的位置反而出現了流速較快的區域，從圖中可以看出這種遠離障礙位置的高流速區域幾乎不受障礙物大小的影響，這可能是因為這部分流體并未進入障礙區域內部，而是繞過整個障礙區域流動，因此可以將整個障礙區域看作一個大障礙，流體繞過這個障礙流動，導致邊緣流體流速較快且與9個障礙的大小無關。

分析障礙物區域，對比大障礙和小障礙對流體流動的阻礙可以看出，大障礙對流體流動的阻礙作用更加明顯，流體的速度降低更多，說明當流場中障礙物較大時，流體的流動更加困難。這在磁流變液中宏觀表現為磁性顆粒鏈束結構聚集程度越高、鏈束越粗對基礎油的流動阻礙作用更為明顯，磁流變液抵抗外力作用的能力越強，體現出更強的磁流變效應，這與現有研究得出的結論一致[4]，而影響磁流變液中鏈束結構聚集狀態和粗細程度的因素有很多，包括磁性顆粒自身的靜磁性能、顆粒大小、外加磁場大小、剪切速率等。

3 入口速度對流場速度的影響

設定相同的障礙大小，將入口速度分別設置為10、20、30 m/s，模擬在不同入口速度下流場的流動狀態，得到結果如圖6-8：

圖6 入口速度為10m/s時的流速云圖

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，磁流變液的流場狀態有所不同，整體體現出入口速度越大，受到阻礙作用越強的現象，這可以解釋為入口速度較大的流體進入障礙區域之后受到障礙的阻礙，流速較大的流體在與障礙發生碰撞以及自身擠壓時損耗了更多的動能，導致其流速降低更明顯。

這種現象與磁流變液流變行為的宏觀表現是相符合的，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，磁流變液的剪切應力體現出不同的特征，剪切應力也就是上文近似模擬的流體受到的阻礙作用。當入口速度較小時，基礎油的流動受到磁性顆粒的阻礙作用較小如圖6所示，宏觀表現為剪切應力較小；而當入口速度逐漸增大，基礎油受到的阻礙作用也逐漸增強，呈現出較高的剪切應力如圖7所示；而隨著入口速度的進一步升高，磁流變液的剪切應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度和外場強度決定。

4 基于FLUENT分析磁流變液流動狀態的幾點思考

本文采用FLUENT仿真的方法初步研究了磁流變液在不同鏈束聚集狀態和不同剪切速率下的流動狀態，得出了與實驗結果較為符合的仿真模擬結果，受限于本文所采用的假設條件與簡化的磁流變液內部流動模型，本文并未做到對各類各種條件下磁流變液流動狀態的模擬，基于以上分析，針對FLUENT分析磁流變液流動狀態研究筆者提出以下幾點思考：

第一：本文將磁流變液中磁性顆粒所成鏈模擬為一個形狀規則的圓柱體，這是簡化了的磁性顆粒成鏈情況。考慮到磁性顆粒成鏈的形狀可能并不規則，有多種鏈形態，鏈束與鏈束之間也存在大量的交聯、合并，甚至形成三維的網格狀結構，下一步研究中可以針對復雜鏈束狀態下的磁流變液流動行為加以研究。

第二：磁性顆粒在外場作用下成鏈，當受到一定的剪切作用時，這些鏈束會相應地發生移動、偏斜、鍛煉和重組，且隨著剪切速率增加這種現象越發明顯。所以在進一步研究中，可以將鏈束結構在計算區域內的“流動”考慮在內，模擬流場區域內固—液兩相的流動和相互作用，從而更加真實地模擬磁流變液的流動狀態。

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

5 結束語

本研究利用FLUENT軟件對不同入口速度和障礙物大小條件下磁流變液中基礎油的流動行為進行了仿真模擬，結果表明大障礙對流體流動的阻礙作用更加明顯，這與磁流變液宏觀表現為磁性顆粒鏈束結構聚集程度越高、鏈束越粗對基礎油的流動阻礙作用更為明顯，體現出更強的磁流變效應結論一致。入口速度越大，流體受到阻礙作用越強的現象，但隨著入口速度的進一步升高，流體阻礙作用會逐漸平衡，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，為磁流變液流動機理研究提供了借鑒。

參考文獻：

[1]Rabinow.The magnetical fluid clutch[J].AIEE Transacitons，1948，67： 1308-1315.

[2]Bossis G，Lacis S，Meunier A，Volkova O. Magnetorheological fluids [J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，252：224-228.

[3]B. J. Park，F. F. Fang，H. J. Choi.Magnetorheology materials and application[J].Soft Matter，2010，6： 5246-5253.

[4]Juan Vicente，Daniel J Klingenberg，Roque，Hidalgo-Alvarez. Magnetorheological fluids： a review[J]. Soft Matter，2011，7： 3701-7310.

[5]王鴻云，鄭惠強，李泳鮮.磁流變技術及應用研究[J].材料導報，2008， 22（6）： 92-99.

[6]康桂文.磁流變拋光技術的研究現狀及其發展[J].機床與液壓，2008， 36（3）： 173-175.

[7]王秋寬，楊鴻，李光勇，楊巖.數字顯微全息應用于磁流變液微觀結構與機理的三維可視化研究[J].中國激光，2014， 41（4）： 1-9.