利用非均匀磁场控制镓的熔化速率：实验与数值研究

熔化速率与流体流动受到静态非均匀磁场显著抑制，实验与数值模拟结果一致，液相分数和努塞尔数动态变化验证了磁场对热传导及相变的调控作用。

　　
本研究聚焦于通过静态非均匀磁场调控金属镓（Ga）的熔化过程，结合实验与数值模拟手段，系统探究磁场对熔化动力学、流场分布及相界面形态的影响。研究以建筑节能、太阳能系统及热防护材料为应用背景，揭示了磁场通过洛伦兹力改变流体动力学特性，进而抑制相变速率的物理机制。实验采用超声多普勒测速（UDV）与超声脉冲回波（UPE）技术同步监测液固界面演变及流速场，并通过三维数值模拟（ANSYS Fluent）实现多物理场耦合分析。研究发现，当外部磁场施加于熔化体系时，流体流动速度降低达38%，熔化速率减缓22%，且相界面趋于平坦。以下从研究背景、方法创新、结果分析及工程意义等方面展开解读。

### 一、研究背景与意义
相变材料（PCMs）因其独特的热力学特性，在能源存储、热管理及防护系统中具有广泛应用潜力。然而，相变速率受控困难，传统方法依赖温度梯度或机械搅拌调节传热效率。近年来，磁场调控技术因可精准调控流体动力学特性而备受关注。金属镓因熔点接近室温（29.78℃）、电导率高等特性，成为研究磁场对熔化过程影响的热门对象。

### 二、实验方法与技术创新
#### 1. 实验体系构建
研究采用55×50×50mm的三维密闭腔体，内填充固态镓。通过左侧热板（37-40℃）与右侧冷板（29℃）形成8-11℃的温度梯度，模拟实际应用中需控制相变速率的热防护场景。磁场的施加通过位于上墙的钕铁硼永磁体实现，其产生的非均匀磁场在腔体中心强度达53mT，并呈现沿y轴（垂直方向）主分量与重力方向一致的特点。

#### 2. 测量技术突破
传统相位检测依赖分布密集的热电偶，存在易干扰流动场的问题。本研究创新性整合：
- **超声多普勒测速（UDV）**：通过5MHz探头发射超声波，捕捉液相区（>0mm/s）与固相区（0mm/s）的声学特征差异。实验采用三维布局的三个探头来实现x、y、z方向流速的交叉验证。
- **超声脉冲回波（UPE）**：通过监测声波在固液界面处的反射时间差，实现界面精确定位（误差<0.5mm）。该技术特别适用于薄壁或复杂几何结构的检测。

#### 3. 数值模拟验证
基于计算流体力学（CFD）软件ANSYS Fluent建立三维热-流-磁耦合模型：
- **控制方程**：采用非惯性系下的Navier-Stokes方程，耦合考虑磁感生电流的Maxwell方程与能量守恒方程。
- **相变模型**：应用焓值孔隙率法（Enthalpy-Porosity），通过液相分数（LF）描述相变进程。
- **网格优化**：经网格敏感性测试（M1-M3），确定8000单元的六面体网格（壁面y+<0.1）可保证速度场与界面形态的数值精度。

### 三、关键发现与机理分析
#### 1. 磁场抑制熔化速率的量化效应
实验表明，当温度梯度为11℃时，施加磁场使熔化时间延长22%，液相分数增长速率降低38%。该抑制效应符合哈特曼数（Ha）的量纲分析预测，即磁场强度与流体动力学参数的非线性关系。

#### 2. 流场重构与传热优化
- **速度场抑制**：在熔化后期（1020s），有磁场条件下x-z平面最大流速降至10.4mm/s（无磁场16.7mm/s），降幅达38%。y方向流速（垂直磁场方向）因洛伦兹力作用显著降低，导致整体流动动能减少。
- **流型转变**：无磁场时，x-z平面形成四重对流涡旋；施加磁场后涡旋数量减半，形成两股平行流动。这种结构改变使传热效率降低约30%，符合流体动力学稳定性理论。
- **相界面形态**：磁场使固液界面曲率半径增大1.5倍，界面波动幅度降低60%。这种平坦化趋势在高温差（11℃）条件下尤为显著。

#### 3. 努塞尔数与傅里叶数的关联性
数值模拟显示，努塞尔数（Nu）与傅里叶数（Fo）的比值关系符合Jany和Bejan的理论模型。当熔化进行到液相分数75%时，磁场条件下的Nu值较理论预测低15-20%，证实了磁场对对流环的抑制作用。

### 四、误差分析与模型改进
#### 1. 实验误差来源
- **磁场非均匀性**：永磁体边缘场强波动达±5%，影响洛伦兹力分布的模拟精度。
- **热损失控制**：实测表明，腔体侧面散热误差约8-12%，需在数值模型中引入辐射散热修正项。
- **超声测量盲区**：探头发射盲区（约6mm）导致近壁流速测量误差达15%，建议采用合成孔径声纳（ASAS）技术补偿。

#### 2. 数值模型优化方向
- **相变参数**：现有模型中固液界面热扩散系数（α）假设恒定，实际应随温度变化（实测变化范围±8%）。
- **磁场耦合**：当前模型采用Furlani解析式近似磁场分布，建议引入实测场强数据作为边界条件。
- **多物理场耦合**：现有模型未考虑熔化潜热释放对磁场分布的扰动，需建立迭代求解算法。

### 五、工程应用价值
#### 1. 热防护系统优化
磁场调控技术可使防护材料寿命延长30%以上。例如，在航天器表面应用局部磁场可抑制液态金属流动，减少热侵蚀速率。

#### 2. 能量存储系统改进
熔化储能效率（ME效率）提升方案：
- **磁场分区控制**：在储热单元中设置多个磁场区，实现局部相变速率调控。
- **动态磁场调节**：采用电磁铁阵列，根据储能需求实时调整磁场强度（建议调节频率<1Hz以避免流体结构失稳）。

#### 3. 智能制造工艺创新
在金属3D打印领域，磁场可抑制熔融金属的飞溅（实验显示熔滴尺寸减小25%），使打印精度提升至±0.05mm。

### 六、未来研究方向
1. **多场耦合实验平台**：开发集成电磁场调控、高速摄像及超声阵列的智能实验装置。
2. **自适应数值模型**：构建考虑相变热源影响的磁场-流动耦合求解器。
3. **应用场景拓展**：开展磁场对镓基合金凝固组织调控的机理研究，探索其在单晶制备中的应用。

### 七、总结
本研究通过多尺度方法揭示了非均匀磁场对金属熔化过程的多维度调控机制：从微观流体动力学（速度场重构）到宏观传热性能（Nu数降低）的系统性影响。实验与数值模拟的较好一致性（液相分数误差<6%，努塞尔数误差<8%）验证了方法的有效性。该成果为开发新一代热管理器件提供了理论依据，其核心创新点在于：
1. 首次采用三维非均匀磁场调控熔化过程
2. 开发超声多模态测量技术实现秒级动态追踪
3. 建立适用于复杂几何的数值预测模型

后续研究可结合机器学习算法，开发磁场-温度协同调控系统，为智能热管理装备的工程化应用奠定基础。