CN103646153A - 用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法 - Google Patents

用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法 Download PDF

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Abstract

用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法，涉及金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的描绘领域。解决了涡流磁选技术在应用的过程中无法准确计算金属颗粒在交变磁场下受到的电磁力以及无法精确描绘金属颗粒在此电磁力作用下的运动轨迹的问题。本发明利用电磁场有限元分析软件FLUX建立金属颗粒和交变磁场几何模型；对模型进行有限元网格划分；设置模型部件的物理属性；定义传感器，进行得到关于电磁力的四维数据表格，根据位移和时间，查表求电磁力，利用牛顿第二定律，计算金属颗粒各方向加速度，迭代计算下一时刻速度、位移，输出金属颗粒轨迹曲线。本发明适用于描绘金属颗粒在交变磁场中的运动轨迹。

Description

用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法
技术领域
本发明涉及涡流磁选技术领域，具体涉及金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的描绘领域。
背景技术
涡流磁选(VMS)技术的原理是沿转子圆周安装的永久磁铁（或阵列线圈）随转子旋转而产生交变磁场，该磁场各处极性交替变化，频率由转子旋转速度决定。当金属颗粒落入此磁场时，产生一种电磁力，把金属颗粒抛离转子，不同材质的金属颗粒受到的电磁力不同，抛离的距离也不同；而交变磁场对非金属颗粒不产生作用，因此按固有的轨迹卸到转子下面。从而实现了不同物质的选择和分离。涡流磁选法可广泛用于选别复杂矿石、金属废料回收以及其它工业处理。最初对这项技术进行研究工作的是英国的南安普敦大学和荷兰的阿纳姆市比利顿研究中心。与普通高梯度磁选(HGMS)相比，涡流磁选能以较快的处理速度同时获得高品位和高回收率，并且大大减轻了一般适于低雷诺数的高梯度磁选所遇到的严重的机械挟带问题而提高了磁性矿物的品位。同时因为该方法具有高的矿浆流动速度，所以产量也较高，其磁性矿物的品位也能得到进一步提高。磁性矿物品位得到提高的原因是粒度与边界层厚度相比是一个重要参数，它可使磁选机在强磁性小粒度物料与弱磁性大粒度物料之间进行选别，而这一点用高梯度磁选是很难办到的，然而将涡流磁选技术应用到生产和生活中的一个障碍是难于找到合适的方法准确计算金属颗粒在交变磁场下受到的电磁力以及在此电磁力作用下的运动轨迹，为涡流磁选技术的推广和实际应用带来困难。
发明内容
本发明为了解决涡流磁选技术在应用的过程中无法准确计算金属颗粒在交变磁场下受到的电磁力以及无法精确描绘金属颗粒在此电磁力作用下的运动轨迹的问题，提出了用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法。
用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法包括以下步骤：
步骤一、金属颗粒初始时刻t0在交变磁场中的速度V0(x,y,z)=0，该金属颗粒的初始位置坐标(x,y,z)定义为初始位置S0(x,y,z)，然后设定初始迭代次数i=0，最大迭代次数为N；
步骤二、根据ti时刻以及该时刻金属颗粒所在位置的坐标(x,y,z)查询四维数据表格求出金属颗粒在x、y和z三个方向上所受到的电磁力分别为F(x)、F(y)和F(z)；
步骤三、根据牛顿第二定律F=ma，以电磁力F(x)、F(y)和F(z)作为动力项，计算出金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度；
步骤四、根据步骤三中计算出的金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度，计算出金属颗粒在下一时刻ti+1的速度和所在位置的坐标(x,y,z)；
步骤五、i=i+1；
步骤六、比较i是否等于N，如果是，则执行步骤七，否则，执行步骤二；
步骤七、根据获得的t0时刻到tN-1时刻的所有金属颗粒的坐标(x,y,z)绘制金属颗粒位移随时间的变化曲线，即获得该金属颗粒在交变磁场中的运动轨迹。
步骤二中所述的四维数据查询表格中包含有交变磁场中的位置坐标(x,y,z)及不同时刻该位置坐标处在x、y和z三个方向上的电磁力F(x)、F(y)和F(z)。
所述四维数据查询表格是采用下述方法获得的：
步骤二一、采用三维有限元软件FLUX3D建立金属颗粒和交变磁场的几何模型，且金属颗粒的几何模型的中心轴线与交变磁场的几何模型的中心轴线不重合；
步骤二二、对金属颗粒的几何模型和交变磁场的几何模型进行有限元网格划分；
步骤二三、设置仿真所需的物性参数；
步骤二四、采用传感器sensor提取在交变磁场中金属颗粒在x、y和z三个方向所受的电磁力大小；
步骤二五、在FLUX后处理模块中提取传感器sensor的值，采用数据处理软件形成位置坐标(x,y,z)对应的电磁力，最终形成四维数据表格。
有益效果：本发明通过FLUX有限元分析得到金属颗粒在交变磁场中所受到的电磁力关于金属颗粒在x、y和z三个方向上的位移和时间的四维数据表格，通过计算在不同时刻金属颗粒在x、y和z三个方向上的位移，即可利用表格查询到该时刻金属颗粒在交变磁场中所受到的电磁力，根据牛顿第二定律，将该电磁力作为动力项分别计算出金属颗粒在x、y和z三个方向上的加速度，然后计算下一时刻金属颗粒的速度和位移，循环进行计算最终输出金属颗粒在交变磁场中位移随时间的变化曲线，即描绘出金属颗粒在交变磁场中的运动轨迹，本发明所提供的方法步骤简单，只需设定必要的物性参数即可实现，为涡流磁选技术的推广和实际应用起到了重要作用。
附图说明
图1为具体实施方式一所述用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法的流程图；
图2为具体实施方式三所述的获得静态磁场力关于金属颗粒在x、y和z三个方向上的位移和时间的四维数据表格的方法的流程图;
图3为采用三维有限元软件FLUX3D建立的金属颗粒和交变磁场的几何模型示意图；
图4为对金属颗粒的几何模型和交变磁场的几何模型进行有限元网格划分的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法包括以下步骤：
步骤一、金属颗粒初始时刻t0在交变磁场中的速度V0(x,y,z)=0，该金属颗粒的初始位置坐标(x,y,z)定义为初始位置S0(x,y,z)，然后设定初始迭代次数i=0，最大迭代次数为N；
步骤二、根据ti时刻以及该时刻金属颗粒所在位置的坐标(x,y,z)查询四维数据表格求出金属颗粒在x、y和z三个方向上所受到的电磁力分别为F(x)、F(y)和F(z)；
步骤三、根据牛顿第二定律F=ma，以电磁力F(x)、F(y)和F(z)作为动力项，计算出金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度；
步骤四、根据步骤三中计算出的金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度，计算出金属颗粒在下一时刻ti+1的速度和所在位置的坐标(x,y,z)；
步骤五、i=i+1；
步骤六、比较i是否等于N，如果是，则执行步骤七，否则，执行步骤二；
步骤七、根据获得的t0时刻到tN-1时刻的所有金属颗粒的坐标(x,y,z)绘制金属颗粒位移随时间的变化曲线，即获得该金属颗粒在交变磁场中的运动轨迹。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法的区别在于，步骤二中所述的四维数据查询表格中包含有交变磁场中的位置坐标(x,y,z)及不同时刻该位置坐标处在x、y和z三个方向上的电磁力F(x)、F(y)和F(z)。
具体实施方式三、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式二所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法的区别在于，所述四维数据查询表格是采用下述方法获得的：
步骤二一、采用三维有限元软件FLUX3D建立金属颗粒和交变磁场的几何模型，且金属颗粒的几何模型的中心轴线与交变磁场的几何模型的中心轴线不重合；
步骤二二、对金属颗粒的几何模型和交变磁场的几何模型进行有限元网格划分；
步骤二三、设置仿真所需的物性参数；
步骤二四、采用传感器sensor提取在交变磁场中金属颗粒在x、y和z三个方向所受的电磁力大小；
步骤二五、在FLUX后处理模块中提取传感器sensor的值，采用数据处理软件形成不同时刻位置坐标(x,y,z)对应的电磁力，最终形成四维数据表格。
根据本具体实施方式所述的四维数据查询表格获得方法，提供一个实例以支持本实施方式所述的方法：
1）采用三维有限元软件FLUX3D建立金属颗粒和交变磁场的几何模型，如图3所示，A为金属颗粒的几何模型，B为交变磁场的几何模型，金属颗粒的几何模型的中心轴线与交变磁场的几何模型的中心轴线不重合；
2）对金属颗粒的几何模型和交变磁场的几何模型进行有限元网格划分，如图4所示；
3）设置仿真所需的物性参数；
4）利用FLUX3D自带的传感器sensor提取金属颗粒在交变磁场不同位置受到的x、y、z三个方向的电磁力；
5）使用matlab数据处理软件将金属颗粒在不同时刻和不同位置受到的电磁力做成四维表格，所述表格如下表所示。
Figure BDA0000446365210000041
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法的区别在于，步骤二三中设置仿真所需的物性参数包括求解器的选择、边界条件的设置、金属颗粒磁化曲线的设置、电阻率的设置、永磁体初始磁导率的设置和剩磁的设置。
本实施方式中，求解器选择ICCG求解器，边界条件的设置为所求解对象的3倍，金属颗粒磁化曲线设置为电工纯铁的磁化曲线，永磁体初始磁导率设置为1:1，剩磁设置为1.5T。

Claims (4)

1.用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤一、金属颗粒初始时刻t0在交变磁场中的速度V0(x,y,z)=0，该金属颗粒的初始位置坐标(x,y,z)定义为初始位置S0(x,y,z)，然后设定初始迭代次数i=0，最大迭代次数为N；
步骤二、根据ti时刻以及该时刻金属颗粒所在位置的坐标(x,y,z)查询四维数据表格求出金属颗粒在x、y和z三个方向上所受到的电磁力分别为F(x)、F(y)和F(z)；
步骤三、根据牛顿第二定律F=ma，以电磁力F(x)、F(y)和F(z)作为动力项，计算出金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度；
步骤四、根据步骤三中计算出的金属颗粒在x、y和z三个方向的加速度，计算出金属颗粒在下一时刻ti+1的速度和所在位置的坐标(x,y,z)；
步骤五、i=i+1；
步骤六、比较i是否等于N，如果是，则执行步骤七，否则，执行步骤二；
步骤七、根据获得的t0时刻到tN-1时刻的所有金属颗粒的坐标(x,y,z)绘制金属颗粒位移随时间的变化曲线，即获得该金属颗粒在交变磁场中的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法，其特征在于，步骤二中所述的四维数据查询表格中包含有交变磁场中的位置坐标(x,y,z)及不同时刻该位置坐标处在x、y和z三个方向上的电磁力F(x)、F(y)和F(z)。
3.根据权利要求2所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法，其特征在于，所述四维数据查询表格是采用下述方法获得的：
步骤二一、采用三维有限元软件FLUX3D建立金属颗粒和交变磁场的几何模型，且金属颗粒的几何模型的中心轴线与交变磁场的几何模型的中心轴线不重合；
步骤二二、对金属颗粒的几何模型和交变磁场的几何模型进行有限元网格划分；
步骤二三、设置仿真所需的物性参数；
步骤二四、采用传感器sensor提取在交变磁场中金属颗粒在x、y和z三个方向所受的电磁力大小；
步骤二五、在FLUX后处理模块中提取传感器sensor的值，采用数据处理软件形成位置坐标(x,y,z)对应的电磁力，最终形成四维数据表格。
4.根据权利要求3所述的用于描绘金属颗粒在交变磁场中运动轨迹的方法，其特征在于，步骤二三中设置仿真所需的物性参数包括求解器的选择、边界条件的设置、金属颗粒磁化曲线的设置、电阻率的设置、永磁体初始磁导率的设置和剩磁的设置。
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