在二元合金过冷熔体中枝晶生长在远场来流作用下的稳态解

研究在二元合金过冷熔体中远场来流引起的对流对稳态枝晶生长的影响．在大Schmidt数和零表面张力的情形下，将纯熔体中远场来流引起的对流对枝晶生长作用的结果推广到受远场来流影响的二元合金过冷熔体中，利用多重尺度方法得到了稳态枝晶生长的渐近解，并分析了在对流的作用下枝晶生长的温度和浓度以及界面形态的变化．当熔体流动速度增大时，过冷度对枝晶尖端曲率半径的影响减小．与关于纯熔体的结果比较，二元合金过冷熔体中流动速度对界面形态有更大的影响，界面形状仍然是一个近似的抛物面，流动速度通过影响规范化参数使得系统的Peclet数倾向于进一步增加．     

多元合金枝晶生长形态转变及显微偏析的相场法研究

采用多元合金相场模型及耦合真实热力学参数，对Ni-Al-Nb三元单相合金在不同过冷度及不同成分条件下的枝晶生长形态转化及显微偏析进行了研究．结果表明：在成分相同改变过冷度以及过冷度相同改变Nb含量两种条件下，随着无量纲过冷度U（U=△T／△T0，其中△T为过冷度，△T0为结晶温度间隔）的增大，两种条件下均出现枝晶形态由典型枝晶形态向球状晶形态转化，而枝晶显微偏析程度在两种条件下均呈现为先增大后减小的规律．     

深过冷Ni-Mo合金中Ni枝晶的快速生长

采用落管技术实现了Ni-39.3%Mo和Ni-45%Mo亚共晶合金与Ni-47.7%Mo共晶合金在不同过冷条件下的无容器快速凝固. Ni-39.3%Mo合金在深过冷条件下形成了初生Ni枝晶和共晶组织. 随着过冷度的增加, Ni枝晶发生组织细化, 枝晶间的间距L_g显著减小. Ni-45%Mo亚共晶合金中的初生Ni枝晶, 随着过冷度的增大由粗大的枝晶向等轴晶转变. 当过冷度小于43 K时, 液滴中形成许多碎断的Ni枝晶. 当过冷度在43~113 K之间时, 凝固时间小于枝晶熔断时间, Ni枝晶不再发生熔断, 形成呈辐射状的粗大枝晶. 当过冷度大于113 K时, 液滴中形成等轴晶, Ni固溶体与NiMo金属间化合物两相分离生长. Ni-47.7%Mo共晶合金凝固组织随着过冷度的增加由层片共晶组织向不规则共晶组织转变. 理论分析表明, 深过冷Ni-39.3%Mo, Ni-45%Mo和Ni-47.7%Mo熔体中, Ni枝晶的生长随着过冷度的变化发生了溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变, 发生转变所需的过冷度ΔT_ct分别为66.6, 81.9和85.0 K. 随着合金中Ni含量的增高, Ni枝晶的生长发生动力学转变所需的温度T_ct逐渐降低.     

自由落体条件下快速偏晶凝固

在落管自由落体条件下实现了Fe-48.8 % Sn 偏晶、Fe-40 % Sn 亚偏晶和Fe-58 % Sn 过偏晶合金的快速凝固. 对于直径范围在100 ~ 1000 μm 的Fe-48.8%Sn, Fe-40% Sn 和Fe-58% Sn 合金液滴, 最大过冷度分别为270, 282 和288 K. 液滴直径较小时, Fe-48.8% Sn 偏晶合金的微观结构呈现出均匀弥散分布的组织,当液滴中分散相直径为6 μm, 过冷度为30 K 时, Marangoni 迁移速率比Stokes运动速率快37 倍. 对于Fe-40% Sn 亚偏晶, 当液滴直径从1000 减小为100 μm时,其生长形态从柱状α-Fe 枝晶分布在富Sn 相基底上转变为α-Fe 颗粒分布在富Sn相基底上, α-Fe 枝晶的生长速度从0.45 增大到4.65 m/s. 对于Fe-58.8% Sn 过偏晶合金, 初生相α-Fe 枝晶的晶粒尺寸随过冷度的增加显著减小.     

合金凝固列状晶/等轴晶转变

在考虑合金组元局部线性叠加的基础上, 结合计算相图, 对多元合金凝固枝晶列状/等轴生长特性进行了系统的研究. 通过考虑枝晶生长界面前沿的形核生长及竞争, 发展了一个适用于多元合金凝固列状晶/等轴晶转变的理论模型, 其与实验结果能很好的吻合.     

球状晶体的演化和形态稳定性

建立了在过冷熔体中包括表面能、界面动力学和远场来流的球状晶体生长模型, 研究了在小的远场来流引起的熔体对流对球状晶体界面的演化和形态稳定性的影响, 导出了受远场来流作用的界面表达式和扰动振幅的变化率满足的色散关系. 结果表明: 远场来流导致的对流使得正在生长的球状晶体的界面在迎风方向加速生长, 在背风方向减缓生长; 正在衰减的球状晶体的界面在迎风方向加速衰减, 在背风方向减缓衰减. 迎面来流的方向球状晶体的生长和背向来流的方向球状晶体的萎缩使得球状晶体倾向于演变为卵形. 理论结果证实了熔体的对流促进球状晶体的生长和衰减; 界面的稳定性取决于球状晶体半径的某个值, 使得当球状晶体的半径超过临界值Rc时, 球状晶体的生长是不稳定的; 当半径低于临界值Rc时, 球状晶体的生长是稳定的; 表面能和界面动力学系数对于球状晶体的生长有强烈的稳定作用. 同时当界面生长时, 界面动力学系数是界面的稳定性因素; 当界面衰减时, 它是界面的不稳定性因素.     

适用于复杂地形海域的溢油模拟系统

建立了三维耦合模型用于预报海上溢油的轨迹和最终归宿.模型包括水流与输移–归宿两个模块.水流模块采用非结构有限体积、波流耦合数值模型.采用非结构网格,模型可以灵活地模拟包含众多岛屿、曲折岸线等复杂地形区域发生的溢油事故.在输移–归宿模块中采用粒子追踪法模拟油膜的输运.水平扩散采用随机走动方法模拟,而垂向扩散过程则通过Langeven方程进行求解.油的迁移过程包括对流、扩展、紊动扩散、附着在岸边、沉降到海底等;转化过程包括挥发、溶解、乳化等.此外,光化学反应、水解、生物降解能够改变油的特征,减轻油的污染,模型中亦作了考虑.该模型可以用于瞬时和连续溢油的情况,不仅可以用于模拟油,也可以模拟其它与油的密度相近的有害物质的泄漏.应用建立的溢油模拟系统对渤海海峡发生的突发性溢油事故进行了模拟.     

过程参数描述的等热流和等壁温平板间层流对流换热特性区别

应用对流换热过程参数描述, 对平行平板间层流对流换热特性在不同热边界条件下的区别进行分析. 结果表明: 发展段壁面上, 在等热流边界条件下壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 虽速度为零, 但速度梯度对该热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时最大速度梯度项对法向热通量的传输有贡献; 在等壁温边界条件下壁面法向方向的热通量是以扩散方式传递的; 在发展段流体内部, 不同热边界条件下主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均是以对流方式传输的, 速度和速度梯度对主流方向和垂直壁面热通量传输的贡献与边界条件相关; 在充分发展段壁面上, 等热流边界条件时壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 速度梯度对该热通量的传输有贡献, 但等壁温边界条件时是以扩散方式传递的; 在充分发展段流体内部, 等壁温边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 速度对主流方向热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 主流方向热通量的传输是一没有净换热的对流过程, 速度梯度对垂直壁面热通量的传输有贡献; 正是由于等热流边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输的贡献和等壁温边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输没有贡献, 使得等热流边界条件对流换热强度高于等壁温边界条件的换热强度.     

基于分形论的霜晶生长模型及计算机模拟

以分形理论的DLA模型为基础建立了霜晶生长的二维模型，并进行计算机模拟．模拟过程中通过改变程序运行循环次数和随机粒子产生的几率从而得到不同条件下霜晶形成及生长过程的模拟图像．利用显微镜对霜晶体的形态进行观察并结合高像素数码相机拍摄到霜晶形成及生长过程中不同时刻的图像．模拟图像与实验图像的对比结果表明两者在形态上取得较好的一致，分形维数相近，从而证实采用程序运行的循环次数来代表霜晶生长时间，通过改变产生随机粒子的几率来模拟霜晶生长过程的密度变化的技术路线是可行的．研究结果表明，用这种分形理论模型模拟霜晶形成及生长过程能够取得较好的效果．论文也对该模型的不足做了客观的分析．     

强迫对流条件下的煤焦燃烧速率

针对强迫对流条件下，煤信中流场的特点，提出了一个求解煤焦燃烧速率的简化模。     

基于特征线的N－S方程算子分裂有限元法

本文提出了一种求解Navier—Stokes（N—S）方程新的有限元方法：基于特征线的算子分裂有限元法（CBOS法）．该方法在每一个时间层上，采用算子分裂法将N-S方程的对流项与扩散项分开求解，扩散项时间离散采用向后差分格式，空间离散采用标准Galerkin有限元法，隐式求解；对流项离散采用特征线．Galerkin法，显式求解．应用此算法对方腔流和后台阶流动进行了数值模拟，通过与标准解或实验值对比表明该算法具有较高的精度和较好的稳定性，为以后求解N—S方程提供了一种很有应用前景的研究方法．     

页岩气纳米孔真实气体传输模型

页岩富含纳米孔,纳米孔气体传输不同于宏观流体流动.基于滑脱流动和克努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和克努森扩散的权重系数,耦合这两种机理,建立了理想气体传输模型.同时考虑高压条件下真实气体分子间相互作用力和气体分子自身体积对气体传输的影响,建立了页岩纳米孔真实气体传输模型.模型可靠性通过分子模拟结果验证.结果表明:纳米孔真实气体传输模型能够更合理地描述所有的气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;真实气体效应对气体传输的影响可高达23%,其受压力、温度、纳米孔尺度和气体类型的控制;在室内实验条件下模拟页岩纳米孔气体传输时,用氦气代替甲烷,低估了甲烷的传输能力65.09%;用氮气代替甲烷,高估了甲烷的传输能力106.27%.     

基于参数平均的防冰热载荷计算方法

提出了一种通过参数平均计算防冰热载荷的集总参数法,该方法通过计算流体力学中的欧拉两相流模型计算过冷水滴的撞击特性和总水收集量,采用附面层积分法和热流法获取表面对流换热系数并进行平均,在防护区域内以表面平均温度为输入条件,整体考虑水滴蒸发量和撞击量,对参数进行集总求解,直接求解完全蒸发防冰热载荷。相比传统微元方法,该方法能减少避免计算迭代,效率更高。通过对某机翼翼型的防冰热载荷计算结果的对比,本文方法误差较小,满足工程要求。     

单相合金凝固界面形态稳定非线性动力学理论

建立了单相合金凝固过程中固液界面扰动波振幅随时间变化的非线性动力学方程，解此方程，得到了在不同凝固条件下，随着凝固速度的增加，固液平界面失稳分岔后，胞枝晶开始稳定生长的条件，当固液界面向前推进速度较大即亚快速和快速凝固条件下，粗枝晶失稳分岔后，细支晶细胞晶开始稳定生长的条件，同时得出了稳定态胞晶、枝晶尖端的半径、固液界面干扰波的振幅和波长三者之间的关系式。     

定向凝固多晶硅中细晶产生的原因分析

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响．粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率．而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量．本文设计了两种不同结构的热场，利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨．研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G／V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生．     

旋转磁场对Pb-Sn合金凝固组织的影响

对比研究了常规条件下和旋转磁场条件下Pb-50%Sn, Pb-58%Sn亚共晶合金和Pb-64%Sn, Pb-68%Sn过共晶合金凝固组织的形貌特征, 发现旋转磁场具有消除宏观偏析、碎断和细化枝晶、加快固液界面的溶质扩散速度以及在合金中产生团状组织等作用. 分析认为宏观偏析的消除、枝晶的碎断和细化以及溶质扩散速度的增大主要是由旋转磁场引起的熔体内部复杂流动导致的, 而团状组织的出现主要是由熔体流动引起的浓度场和温度场均匀化导致的.     

晶体生长过程中的浮力对流现象研究

将实时相移Mach—Zehnder干涉技术与成像技术相结合，应用计算机技术、图象处理技术完成对NaClO3晶体的实时诊断，实时观测了NaClO3晶体溶解和结晶过程，得到了该过程的溶解条纹和生长条纹，反演计算出该过程的浓度场分布，同时分析了晶体生长过程中由重力引起的浮力对流现象，实验证明了这种对流现象直接影响着晶体各个晶面的生长速率．     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.     

非平衡凝固理论的发展

近年来,非平衡凝固技术迅速发展,但相应的工艺设计仍主要依赖于经验或半定量理论,无法满足当前材料加工过程控制的苛刻要求.经典凝固理论的建立基于诸多假设,如相图的线性液/固相线假设、合金热力学性质的理想稀溶液假设及体系动力学过程的局域平衡假设,其研究对象为模型合金而非实际浓溶液、多元合金等;经典与现实的差距迫切需要突破经典假设的束缚以更好地发挥凝固理论在工艺设计中的指导作用.本文针对单相固溶体合金,介绍了近年来松弛经典假设后凝固理论的发展.阐述了基于理想稀溶液假设的二元合金微观尺度界面动力学、界面稳定性、枝晶生长,以及耦合微观与宏观的全转变动力学理论的发展,阐明了非线性液/固相线的重要作用.针对二元、多元浓溶液合金,介绍了界面动力学、界面稳定性和枝晶生长理论的发展,阐述了组元间互作用的重要性.当前凝固理论发展摒弃了诸多经典假设,缩短了理论研究与实际工业生产的差距,拓宽了凝固理论的应用范围,更准确地描述了非平衡凝固过程,促进了非平衡凝固理论在工业生产中的应用.     

冲积河流重金属污染物迁移转化数值模拟控制方程及其物理意义

基于以前重金属污染物在冲积河流中迁移转化的研究,本文运用环境化学、水力学、泥沙运动力学的基本原理并考虑到有关研究的最新进展,推导建立重金属污染物在冲积河流中迁移转化的数学模型,并以平面二维模型为例给出详细的推导过程和三个简化的计算实例.该数学模型由水流控制方程、泥沙运动控制方程、重金属迁移转化控制方程和悬移质泥沙颗粒相、推移质泥沙颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸型对流扩散方程组成.重金属污染物迁移转化方程是一个质量平衡方程,它表明冲积河流中泥沙运动是如何影响重金属污染物迁移转化的.作为以前工作的一个重要进展,悬移质颗粒相、推移质颗粒相和床沙颗粒相重金属污染物吸附解吸反应动力学（或反应动力学简化为＂型＂）对流扩散方程是室内静态实验结果的延伸,它综合考虑物理输移,即对流、扩散和化学反应,这里主要是吸附解吸作用.应用本模型对三个简化的实例进行计算,即模拟计算重金属污染物在恒定、均匀挟沙水流中的迁移转化.所得计算结果合理,进一步阐明泥沙运动在重金属污染物迁移转化中的作用.理论分析和实例计算表明,重金属污染物在冲积河流挟沙水流中的迁移转化不仅具有一般污染物对流扩散的共性,而且具有因泥沙运动而带来的特性.