基于端部磁场函数的线性感应电磁泵优化建模.docx

《基于端部磁场函数的线性感应电磁泵优化建模》 线性感应电磁泵（Linear Induction Electromagnetic Pump, LIEP）是一种利用电磁力驱动液态金属流动的设备，尤其在环形线性感应电磁泵（Annular Linear Induction Electromagnetic Pump, ALIP）中，其优势在于结构简洁、无运动部件、维护成本低和长期运行可靠性高等特点，使其成为空间核反应堆冷却系统中的优选。ALIP的应用研究主要集中在电磁场和流体场的特性分析，以便优化设计和提升性能。 在ALIP的研究方法中，除了实验验证，解析计算和数值模拟也是常用手段。传统的解析计算通常采用等效电路法，但这种方法在处理端部效应和铁芯饱和问题时存在较大误差。相比之下，数值计算能够更精确地模拟端部效应和饱和现象，Kwak和赵睿杰的研究分别揭示了端部效应对磁场分布和流体稳定性的影响。此外，Araseki等人通过数值计算和实验发现，端部漏磁场与工质速度正相关，且端部效应导致的压力脉动与供电频率和滑差有关。 在进行数值模拟时，合适的边界条件和端部长度选择至关重要。过长的端部会导致计算资源的大量消耗，而过短则可能无法准确反映端部效应。为此，研究者通常采用有限元仿真软件，如Ansys-Maxwell，建立ALIP模型，通过调整端部长度和运行参数，分析端部长度对电磁场和力场的影响，寻找最佳端部长度。同时，通过数值拟合端部磁场，可以确定端部磁场的基本分布规律，进一步优化模型。 ALIP的基本结构包括定子铁心、内铁芯、泵沟、励磁线圈以及液态金属工质。当三相绕组通入对称交流电时，产生的磁场与感应涡电流交互作用产生推力，驱动液态金属沿轴向流动。由于定子两端开口，会产生静态纵向端部效应，而液态金属流动时则产生动态纵向端部效应，两者都会影响泵的性能。 在描述ALIP内部复杂流动时，涉及磁流体动力学方程，包括流体动力学方程和电磁场方程。Navier-Stokes方程揭示了电磁力作为体积力对流体运动的影响。通过Maxwell方程组，可以得到电磁场相互作用和电磁力的描述，其中体积力项反映了液态金属中电流与磁场的相互作用。 优化ALIP建模的关键在于理解和模拟端部磁场效应，以及找到合理简化模型与保持计算精度之间的平衡。通过数值仿真和实验验证，我们可以逐步提高对ALIP性能预测的准确性和效率，这对于ALIP在核反应堆冷却系统等领域的应用具有重要意义。