微重力下坩埚内熔体的对流分析

以18英寸坩埚(6英寸单晶炉)为研究对象,利用有限元分析法,选用RNG k-e湍流模型,对不同液面高度下坩埚内熔体的自然对流进行二维模拟分析;在熔体空间内引入横向磁场(微重力环境下)模拟分析其对熔体对流的影响,同时对引入的横向磁场强度进行优化.结果表明,随着液面高度的下降,熔体对流逐渐变弱,液面高度从230 mm下降到140 mm时,平均流速下降了近3/4;引入横向磁场后熔体对流能够得到有效地抑制,当磁感应强度在0.4T到0.8T之间时,磁场对熔体的对流抑制作用最为明显.     

磁场对氧化物熔体中振荡态热毛细对流的抑制作用研究

利用高温熔体实时观察装置观察并研究了外加横向磁场对NaBi(WO₄)₂熔体中振荡态热毛细对流的影响. 当施加60 mt横向磁场时, 振荡态对流的振幅和频率均显著减小, 并且小温度梯度下的振荡态对流在磁场作用下趋于稳定. 这种磁场对振荡态对流的抑制效应可以归结为熔体中运动离子和磁场之间Lorentz力的作用. 对高温氧化物中离子电导率进行了测量, 固体中离子电导率随温度升高而增大, 而熔体的离子电导率约为2.0×10^−4·Ω^−1·cm^−1. 这表明熔体中存在一定数量的带电离子, 外加磁场对这些运动离子施加的Lorentz力使对流有序化, 从而抑制了熔体中的振荡态对流.     

粗糙度对水平热水浮射流影响特性研究

采用物理实验和数值模拟方法,研究不同粗糙度的矩形断面明渠,横向水平浮射流特性;以期对浮射流和主流的相互作用、浮射流横向扩展规律、粗糙度对二次流强度的影响、粗糙度对浮射流横向扩展距离的影响有深入认识。为了更加充分验证分析的正确性,对动量方程进行简化,得到沿水深方向积分后的解析解;进而详细阐述粗糙度对二次流强度的影响。研究表明,随着粗糙度增加,横向水平浮射流扩展宽度减小;且随着排水口淹没水深减小,粗糙度对热水浮射流横向扩展宽度的影响不断减弱。不同粗糙度对二次流强度影响不同是造成上述现象的主要原因。该成果可用于不同粗糙度河槽的温排水问题的研究中。     

二维方腔内热表面张力流的格子Boltzmann方法模拟

热表面张力驱动的对流是微重力下浮区法晶体生长中熔体最重要的物质与热输运方式。采用单松弛双分布函数格子Boltzmann模型,自主开发了相应的格子Boltzmann方法的串行和MPI并行程序包,并应用该程序包对开口方腔内流体的二维热表面张力对流进行了数值模拟研究。其中串行程序合并碰撞迁移过程和引入临时数组以连续读入分布函数,相比分开碰撞迁移过程,计算性能提高了二倍;在此基础上,采用单向计算区域分区和非阻塞通信模式,实现了MPI版格子Boltzmann并行程序包开发。对比基于传统有限体积法CFD程序计算结果表明,串行和MPI并行版格子Boltzmann程序包计算结果精确可靠;并行程序具有较好的性能。     

电磁力驱动载流金属熔体内速度的差分计算

针对电磁场对熔融流体的作用特性,采用差分方法和人工可压缩法,研究了电磁场对熔融流体速度的控制作用.结果表明:得到了一个控制液流流动的最佳时间段.在此时间段内载流熔液受交流磁场作用时熔体有很好的稳定状态,抑制液流流动的效果最佳,而加稳恒磁场和无磁场作用则无此特性.另外,电磁场可以很好地控制熔融流体的流动性,可以对载流熔体流动起促进或抑制作用,选择的金属物理属性、电磁参数、时间历程等因素都会对熔体的流动速度产生影响.该成果可用在电磁冶金工业中施加电磁场以控制金属熔体流速的目的,具有一定的指导意义和参考价值.     

外加纵向磁场惰性气体保护钨极电弧焊接熔池流动模型

在惰性气体保护钨极电弧焊接（GTAW）过程中,引入纵向磁场焊接,它是以LD10CS铝合金炙焊接材料,水冷紫铜板为阳极,实验用探针法测定外加纵向磁场GTAW焊接电弧电流密度的径向分布,。并在此基础上用磁流函数法详细推导了外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体所有体积力的表达式,建立了外加纵向磁场作用下焊接熔池流体流动和传热过程的新模型,该模型考虑了外加纵向磁场的附加作用,使之更能接近外加纵向磁场GTAW焊接的实际,为外中纵向磁场GTAW焊接机理的研究提供了条件。     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

非对称勾形磁场的三维优化设计与实现

根据坩埚内熔体对流的类型和分布区域,分析控制对流对勾形(cusp)磁场磁感应强度和磁场位形分布的要求,提出了磁场优化设计目标。采用有限元三维(3D)建模法对cusp磁场进行了建模,利用所建立的模型对比了对称结构和非对称结构对磁场位形分布的影响,分析了在非对称cusp磁场线圈横向层数一定的情况下磁场纵向层数、屏蔽体厚度、上下线圈间距对磁感应强度、磁场位形、磁场功率的影响,优化了磁场结构;根据优化的结构参数制造了磁场并进行了实验测试,结果表明非对称cusp磁场的位形分布与设计结果一致,从而验证了3D优化建模方法的有效性。     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

浮头式废热锅炉工艺气传热特性的试验研究

浮头式废热锅炉工艺气侧的传热过程属于辐射状扩缩流横向冲刷管束的强迫对流换热，这种对流换热既不同于定截面流的横向冲刷管束的换热，又不同于一般的变截面流的横向冲刷管束的换热，文中用大比例尺（Ｍ１：２）模型测定了该换热过程的对流放热系数与雷诺数间的关孔试验结果表明这种流动方式强化了对流换热过程，辐射状扩压流的放热系数比平行流横向冲刷错列管束的放热系数增加１６％，而辐射状收缩流横向冲刷管束的放热系数比平行流横向冲刷错列管束的放热系数则增加４０％左右。     

微重力下单晶硅生长中热毛细对流的控制研究

在微重力条件下用浮区结晶法生长半导体单晶硅独具优势，但自由界面的温度梯度所诱发的热毛细对流对晶体质量的影响却更为突出。文中提出一种抑制热毛细对流的新方法-表面截割法，即通过适当改变自由表面的状况业抑制热毛细对流；在建立了半浮区（液桥）热毛细对流的数学模型的基础上，利用有限元法对不同截割方式下的流场、温度场做了数值模拟分析。结果表明，表面截割对浮区内的热毛细对流有很好的抑制作用，适当增加截割次数，可使热毛细对流削弱70%以上。     

Effect of frequency and intensity of rotating magneticfield on the microstructures of Pb-Sn alloys

The solidification microstructures of Pb-45% Sn hypoeutectic and Pb-85%Sn hypereutectic alloys were studied in rotating magnetic field （RMF）. A transition of primary phase from dendrite to spherical growth was caused by the RMF, which simultaneously fractured and fined grains. The fracture and refinement increased first and then decreased with the increase in RMF intensity. When magnetic intensity exceeded a critical value, the size of the primary phase became bigger on the contrary. Therefore, there existed an optimum value of magnetic intensity in fracture and refinement of grain. Moreover, the rotating frequency determined the skin depth of magnetic field, and further affected the homogenization of temperature and solute. The rotating frequency and magnetic intensity were key factors affecting refinement and uniformity of solidification microstructures. The introduction of RMF not only changed the solidification thermodynamics, but also led to a reduction in Gibbs free energy associated with the formation of critical crystal nucleus and atom diffusion activation energy, thus enhancing the rate of nucleation.     

旋转和磁场耦合作用对振荡Marangoni-热毛细对流的影响

双向温度梯度下环形浅液池内的硅熔体中会形成Marangoni-热毛细对流,当其中一个温度梯度超过临界值时,流动会变成三维振荡流动,同时,自由表面上的辐射换热还会使流动变得更加复杂。为了寻找有效削弱三维振荡流动的方法,通过三维数值模拟分别研究了只有液池旋转、只有轴向磁场和两者耦合时环形浅液池内的Marangoni-热毛细对流。结果表明,液池旋转和轴向磁场都可以对Marangoni-热毛细对流产生一定的削弱作用,而两者的耦合会相互促进。考虑到磁场的负面效果,在尽量小的磁场强度下获得了维持轴对称稳态流动的最佳参数组合。     

温场对CZ硅单晶氧含量和径向扩展电阻均匀性的影响

利用测量熔体温度、液流模拟、红外吸收和扩展电阻探针研究了温场对硅单晶的氧含量和径向扩展电阻均匀性的影响。高温场中整个熔体的温度梯度与重力方向一致,矮温场中只有上部熔体的温度梯度与重力方向一致,而下部熔体的温度梯度与重力方向相反。高温场中整个熔体有热对流,矮温场中只有上部熔体有热对流。高温场中生长的单晶的氧含量明显高于矮温场中生长的单晶。高温场中生长的硅片,径向扩展电阻分布有中央平坦部分、剧烈起伏部分和边缘波纹起伏部分,矮温场中生长的硅片无剧烈起伏部分。这一部分可能是熔体中泰勒柱与热对流区之间的切变层是高氧熔体造成的。     

电渣重熔过程电磁场和温度场数值模拟

建立了考虑电流集肤效应的三维电渣重熔电磁场和温度场数学模型,并采用电磁场和金属熔池形貌测量方法分别验证了数学模型的准确性,分析了电流频率和渣池厚度对电渣重熔过程电流密度、磁感应强度、电磁力、焦耳热、温度、熔池深度的影响规律.结果表明:随着电流频率增加,电极和钢锭表面电流集肤效应明显,渣池内部电流分布基本不变;电渣重熔系统内最大焦耳热位于平底电极与渣池接触角部,然而高温区位于渣池内部电极下方靠近渣金界面处.当渣池厚度从015m增加到021m,渣池中心轴线上最高温度从1826℃降低到1721℃,金属熔池深度从022m降低到016m.     

磁场-溶剂协同作用对谷氨酸结晶过程的影响

研究了磁场－溶剂协同使用对谷氨酸结晶过程的影响及磁场作用下谷氨酸过饱和溶液表面张力、电导率的变化,并对磁场促进谷氨酸结晶的作用机理进行了探讨,提出了一种利用磁场－溶剂协同作用制备谷氨酸晶种的新方法。研究结果表明,磁场对谷氨酸结晶有促进作用,磁场－溶剂协同使用加速了晶体的成核过程,生成的晶粒均匀,结晶率高。     

铁氧体构成磁控管的磁场分析及它对PET表面改性的影响

在铁氧体磁场存在的情况下，通过研究涤纶膜（PET）表面的碳氟等离子体的改性效果受磁场的影响，讨论了带电粒子的行为及磁场对改性的影响．结果发现：磁场的存在使得PET表面的聚合区域向刻蚀区域位移，且主要依赖于磁场的强度．     

二模外场下键稀疏铁磁混合Blume-Capel模型的磁化

利用有效场理论和切断近似,研究简立方格子在二模外场作用下键稀疏铁磁混合自旋1／2和1的Blume-Capel模型的磁化．在M-T空间中,重入磁化现象出现在适当的晶场范围内,键稀疏的引入可在两个不同的晶场区出现重入磁化．在M-H空间中,磁化趋于零时临界磁场在整个晶场范围内表现出振荡行为．而键稀疏对这种行为有弱化作用,并导致磁有序区减小．     

强磁场对半无限Al/Cu固液扩散偶凝固组织的影响

采用半无限Al/Cu扩散偶法,对磁场下Al-Cu合金凝固组织进行研究.结果表明:由于沿扩散方向Cu原子分数逐渐减小,凝固时,沿凝固方向依次生成α-Al胞/枝状晶等组织、Al-Al2Cu共晶组织和Al2Cu过共晶组织;在不同磁感应强度下(0～12 T),各组织发生了明显变化,胞状晶消失,枝晶粗化并发生偏转;共晶组织层间距与磁感应强度呈非线性关系,组织被扭曲;过共晶组织界面形貌变平整;Cu原子扩散距离缩短.利用XRD对α-Al枝晶区进行衍射分析,发现磁场下α-Al(100)晶面峰值强度变弱,(111)晶面变强.理论分析认为,强磁场对熔体流动的抑制作用和磁场下晶体的磁各向异性是导致上述现象的主要原因...