铝合金大铸锭超声半连铸多场耦合的数值模拟与实验研究

建立了超声场下直径630 mm的铝合金大铸锭热顶半连铸过程中多场耦合的数学模型,采用有限体积法及自定义函数获得超声作用下结晶器内声场、流场和温度场的分布,并进行工业化实验研究。综合工业实验和仿真结果分析超声对热顶半连铸铝合金大铸锭细晶的机理。模拟结果表明,超声波对宏观物理场的影响非常明显,施加超声后,辐射杆端面下方形成向上的回流区,强烈的紊流促进铝熔体的传质传热,减小液穴深度,使液穴更加平缓,同时初始凝壳点下移,过渡带变窄,铸锭中心处过渡带宽度从342 mm减小到120 mm左右。分析实验结果发现,经超声处理,铸锭组织普遍变得细小、均匀,平均晶粒尺寸减小103μm,最大最小晶粒尺寸差从135μm减小到64μm,且凝固组织晶界变细。     

基于FLUENT火焰切割专用割嘴内部流场的数值分析

采用数值模拟的方法来研究一种专用割嘴内部的气液流动情况,液态流场采用标准k-ε湍流模型和离散相模型(DPM)来描述.通过分析该新型氧-乙醇汽油割嘴内部气液流动状况,探索了该乙醇汽油割嘴设计的合理性.结果表明,对于这种乙醇汽油割嘴,当液相入口压力为0.2 MPa时,乙醇汽油与氧气作用后在割嘴内部的速度场、压力场分布均匀,能满足燃烧的连续性与稳定性.     

聚合物熔体流变特性及其对纺丝组件内流场的影响

测定了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、常压阳离子染料可染聚合物(ECDP)熔体的流变特性;通过计算流体力学方法对纺丝组件内的流场进行模拟,并利用粒子图像测速(PIV)实验验证了数值模拟的准确性;通过建立的数值模拟方法研究了聚合物熔体的流变特性对纺丝组件内流场的影响。结果表明：在270~290℃的温度范围内,PET和ECDP的流变指数n均随着温度的升高而增大并接近1,聚合物熔体的黏度随着剪切速率的增大而减小;流体的稠度系数K对纺丝组件内的速度场几乎无影响,但对压力分布影响较大,入口压力随着K的增大而增大;流变指数n对纺丝组件内的压力与速度分布有影响,入口压力和入口流速随着流变指数的增大而增大;流体在砂腔内的流速较小但分布较为均匀,在砂腔上游,流变指数越大,流体流速越大;聚合物熔体在喷丝板外圈的喷丝孔之间形成滞留区,并且流变指数越大,滞留区越小,喷丝孔内外圈的流量分配越均匀。     

不同铸轧条件下铸嘴型腔熔体出口速度、温度和阻力分析

通过双辊铸轧铸嘴型腔三维熔体流动与传热数学模型计算了不同铸轧条件下铸嘴型腔熔体各个分量出口速度、温度分布以及流动阻力损失.结果表明:在超薄快速铸轧时,熔体横向速度uy、高向速度uz远小于流向速度ux.同常规铸轧相比,超薄快速铸轧铸嘴型腔流动阻力系数小且沿型腔长度增长缓慢.图2,参14.     

变截面烟道内导流板与布风板对再热器入口流场影响

为了分析导流板和布风板对变截面烟道内再热器入口速度分布均匀性的影响,基于N-S方程,首先对无导流板和布风板的原始烟道进行了三维流热耦合数值模拟研究;然后与仅安装导流板和同时安装导流板与布风板的烟道模型计算结果进行了对比。得到了三种不同结构条件下扩张段内流场,以及再热器入口截面速度场标准偏差系数的对比结果与变化规律。结果表明:(1)在无导流板和布风板的原始烟道中,烟气在扩张段内的速度分布极其紊乱,进而造成再热器入口速度分布极不均匀;(2)导流板的安装有利于提高再热器入口速度分布的均匀性,相对于无导流板和布风板的再热器入口截面的标准偏差系数C_v降低了15%;(3)布风板的安装不仅能够提高再热器入口速度分布的均匀性,而且能够改善布风板上游扩张段内部速度的分布情况,标准偏差系数C_v与无导流板和布风板的烟道流场结果相比降低了30.3%。     

工业硅熔体连铸过程中热-力行为的数值模拟

通过建立小断面圆坯连铸结晶器二维轴对称耦合数学模型,探究拉速对结晶器内工业硅熔体的流动、传热及凝固等行为的影响,开展工业硅熔体连铸过程中热-力行为的数值模拟研究。通过在模型中耦合应力场,讨论临界拉速下工业硅铸坯中的应力分布特征。研究结果表明：当拉速保持在临界拉速(2.06 mm/s)以下时,工业硅铸坯可以顺利拉出结晶器;当拉速超过临界拉速时,铸坯内的液芯长度超过230 mm,使出口处的坯壳厚度减薄,从而导致铸坯出现漏液风险。随着拉速增大,铸坯内部应力呈现递增趋势。当拉速达到临界拉速时,结晶器内铸坯的最大应力仅有178.72 MPa,表明结晶器内熔体凝固部分不会产生裂纹,可确保工业硅熔体连铸过程的连续性。     

流速对管板式热沉速度场均匀性的影响

热沉的速度场分布均匀间接影响空间冷环境的模拟效果。文章通过建立管板式热沉鱼骨架的几何结构模型,通过流体力学理论和有限元方法对管板式热的压力与速度分布均匀性进行数值模拟。湍流方程采用RNG模型的k-ε两方程,压力-速度耦合计算选用Simple算法,得到热沉压力场与速度场分布,同时分析流速对热沉支管压力与速度分布均匀性的影响。结果表明:较大的流速会导致热沉压力均匀性变差,且流速的增加会增加流体的压力损失。为保证热压力与速度的分布均匀,需在综合考虑压力和速度分布均匀问题的基础上来确定最优的入口流速。     

注射螺杆流道熔体非等温流场的数值研究

使用CFD软件Polyflow,数值模拟了注塑机塑化和注射过程中两种止逆螺杆流道内聚丙烯熔体的三维非等温流场,讨论了流道内熔体的温度场、剪切速率场、黏度场和黏性热场.研究结果表明,塑化时,35°锥角比60°锥角螺杆流道内的熔体在螺杆头区域的温度高;注射时,35°锥角较60°锥角螺杆流道内熔体在出口处的温度和黏度都均匀.表明35°锥角螺杆与机筒配合得较好,更利于注塑成型.数值计算对比了60°锥角螺杆流道内熔体的非等温和等温流场,在螺杆头某一截面上非等温时熔体的平均黏度值比等温时的减少24%.温度影响熔体流场中各物理量的变化.非等温流场更能反映实际情况.     

聚合物双组分复合共挤成型的挤出胀大研究

以PP和PS两种聚合物为实验材料,使用截面为矩形、层比为1的双层共挤口模,实验研究了聚合物共挤成型过程中的挤出胀大现象.采用Phan-ThienandTanner(PTT)本构方程,建立了复合共挤口模内外熔体流动的三维黏弹数值模型,有限元模拟了共挤出的胀大过程,计算分析了熔体在口模内外的速度场及剪切速率分布.研究表明,在入口体积流量相同的情况下,两熔体挤出口模后,存在由黏度较低的PP向黏度较高的PS一侧偏转的现象,型材截面呈不对称畸变.数值模拟结果与实验结果较吻合,两种聚合物熔体的速度分布决定了共挤出胀大过程中熔体的偏转流动行为,口模出口处的剪切速率分布基本决定了挤出胀大后型材的截面形状.     

铝合金超声波半连铸多场耦合的模拟与实验

针对铝合金超声波半连铸过程,建立了声场、流场和温度场耦合的数学模型.利用Fluent模拟得到了声场、流场和温度场分布.仿真结果显示,超声波的导入对宏观流场与温度场分布具有重要影响,在超声输出振幅一定的条件下,选择频率为20kHz的超声波处理铝熔体能够获得较为理想的流场与温度场,从而有效促进熔体的传热、传质与柱状晶向等轴晶的转变.通过测量实验铸锭的晶粒尺寸,发现经超声处理的铸锭凝固组织显著细化,长度与宽度方向的平均晶粒尺寸分别较未经超声处理的减小了133μm与32μm.文中还结合数值模拟结果分析了超声波对铝合金大铸锭的细晶机理.     

高速铁路连续梁桥横向地震碰撞效应及挡块间隙研究

为研究地震作用下高铁桥梁挡块与垫石间的横向碰撞效应,基于ANSYS软件建立高铁简支-连续组合桥梁(2×32 m简支梁+(48+80+48) m连续梁+2×32 m简支梁)横向地震碰撞杆系有限元模型,该模型考虑轨道系统(CRTSⅡ型)约束作用、上部结构与垫石间偏心距、挡块材料非线性、支座非线性和墩柱弹塑性的影响。采用非线性地震反应时程分析方法,讨论轨道系统约束作用、横向限位挡块和挡块-垫石间距等因素对桥梁结构横向地震碰撞效应的影响,并优化连续梁桥墩挡块间隙,探究橡胶缓冲装置的减碰效果。研究结果表明:轨道系统约束作用会改变桥梁结构的动力特性与地震响应,放大墩底剪力横向分配的不均匀性;在强震作用下,挡块横向限位效果较明显;当连续梁桥墩挡块-垫石间距为2～3 cm时,横向地震响应峰值均较小,适当增大中墩挡块-垫石间距效果更佳;橡胶缓冲装置会降低连续梁桥墩梁横向相对位移峰值和挡块碰撞力,且减震效果与橡胶厚度及布设方式有关。     

单流中间包温降行为数值模拟

钢液在中间包内的温降对连铸坯质量有不利影响。针对国内某钢厂单流连铸中间包实际情况,采用数值模拟方法,分析了控流装置的位置和尺寸对中间包内温度分布影响。研究表明,下挡墙高度为268 mm,上挡墙底部与包底距离为175 mm,上下挡墙的相对距离为700 mm,上挡墙距钢液入口距离为722 mm,中间包内温度分布最优。     

基于协同组合的新型微混合器的数值模拟

微通道反应器用于制备生物柴油具有收率高的优势,但物料的预混合程度则是影响反应速率的关键因素。基于协同组合强化概念,设计了一种新型组合式微混合器,其包括含有7个入口的入口段和含有三角形挡板与圆形阻块构件组合的混合段,并对其混合性能进行了数值模拟研究。考察了入口角度、圆形阻块构件直径、三角形挡板构件高度及构件间的距离对油醇混合强度与压降的影响,优化得到的入口角度为30°、阻块构件直径与挡板构件高度为120μm、构件间距为330μm。结果表明:多入口与组合内构件具有协同强化混合作用,能够有效提高混合强度;雷诺数Re为1时在长度6 mm的混合段内的混合强度可以达到0.9以上,改善了操作弹性。     

铝合金铸轧中铸嘴型腔流体热分析

研究铝合金连续铸轧的前箱及铸嘴型腔流体的有限元热分析方案的合理性评价标准;采用通用有限元计算软件ANSYS/FLOTRAN模块的流热耦合建立温度场分析模型;应用MATLAB软件对结果数据进行了深入分析,以现场实验的数据为依据,建立并比较了两种模拟工况的温度场模型的分析结果,定量讨论了有限元计算的出口温度的绝对误差、相对误差,得出了温度场有限元计算的许用不均匀度.图5,表1,参11.     

导流模和分流模金属挤压流动成形的数值模拟

建立了铝合金导流模和分流模挤压分析模型,利用有限体积法(FVM)分别对导流模和分流模模具在铝合金挤压过程中坯料的应力分布和速度场分布进行了比较和分析,发现坯料应力的分布与工作带高度的设定、出材流动是否均衡没有直接的联系,而工作带的调节对改善金属的流动有一定的作用.针对型材出口处的金属流动均匀性,提出了一个判定能否获得稳定合格型材的依据.计算出口型材的标准速度场偏差(SDV),当SDV随时间增加逐渐减少,并且其收敛值小于一个临界值时,认为能够获得稳定合格的型材.     

板翅式换热器入口结构内流场的数值模拟

利用PIV粒子图像测速仪和CFD数值模拟的方法,对板翅式换热器入口结构改进前后的流场进行实验测量和数值计算,获得入口结构内部不同剖面处的流场分布图,发现了流场的流动与分布规律,由于原始入口结构的不合理导致漩涡、回流等现象存在,使得其内部轴向以及径向的物流分配极不均匀．而对于在入口结构1／2高度处添加开孔分流板的改进型结构,不仅在换热器入口结构长度方向（z方向）上,而且在所测截面的y方向,物流分配的均匀性有了很大改善,流场分布更加合理．而且,实验结果和数值模拟结果相符合.     

低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程的影响

在传统热顶铸造过程中施加低频电磁场,使用热电偶测量了稳定铸造阶段从铸锭中心到边部不同位置的冷却过程,得到了铸锭内部的温度分布,分析了低频电磁场对传统热顶铸造6063铝合金凝固过程、宏观组织和表面偏析层厚度的影响.实验表明:低频电磁场使铝熔体产生的强制对流使熔池内的温度分布更加均匀,促进了铝熔体过热的散失,使熔池内的温度低于6063铝合金的液相线温度,提高了熔池内部形核质点的数量,在没有添加细化剂条件下使铸锭宏观组织均匀细小,降低了液穴深度.铝熔体流动速度的加快能增强石墨环与铝熔体之间的换热,使结晶器内铸锭表面初始凝壳点位置上移,减小了铝熔体与结晶器的有效接触高度,提高了铸锭的表面质量.     

稀土钇强化Al-Zn-Mg-Cu铝合金的组织特征

在熔炼过程中以铝钇中间合金形式加入Y元素,研究0～0.30%范围内不同Y加入量对铝合金铸态和均匀化处理后凝固组织的影响.金相显微和扫描电镜检测结果显示:当Y的加入量在0.25%时,铸态组织中晶粒细化效果明显,晶粒度由基体的60～70μm下降到40～50μm,二次枝晶间距减小,晶界处的主要平衡相是T(AlZnMgCu)相和含Y相.经过450℃,12h的均匀化处理后,晶界不再粗大、连续,析出物呈点链状或长条状.对于0.25%Y-7055合金,晶界中析出相不再明显,晶界、晶内可见2～3μm的含Y相Al3Y和Al2Y,加Y后的合金组织材料性能得到改善.     

径向流反应器随机填充催化床层的数值模拟

应用颗粒离散元法建立径向流反应器内球形颗粒随机堆积环形催化剂床层模型,采用颗粒流程序-计算流体动力学(PFC-CFD)耦合求解法得到床层内流体流动压力场、速度场分布规律,研究当边界条件相同、颗粒粒径分别为12、 14、 16、 20、 28 mm时,随机堆积床层内场分布的变化规律。结果表明:随着催化剂颗粒粒径的减小,床层阻力增大,床层速度、压力的变化梯度也增大,但流体沿轴向分布较均匀;粒径12 mm的催化床层径向流反应器内部轴流分布最均匀。     

四入口液-液旋流分离器分离性能数值模拟

多入口旋流分离器能在入口速度较低的情况下实现传统旋流器在入口速度较高时才能达到的分离效果,同时具有更加稳定和对称的流场分布。为了进一步验证多入口液-液旋流分离器的分离性能以及溢流分流比和入口流速对其分离性能的影响,本文基于欧拉-欧拉多相流模型,采用群体平衡方程（PBM）对四入口液-液旋流分离器分离性能进行了数值模拟。研究结果表明：在入口流速恒定时,旋流器综合分离效率随着分流比的升高呈先上升后下降变化趋势,溢流分流比为0.22时,旋流器综合分离效率达到最高,此时分离效率为95.66%。当溢流分流比为0.22时,随着入口流速的增大,四入口液-液旋流器分离效率呈先上升后下降最后趋于平缓变化趋势,当流速为10m/s时,到达油滴剪切破碎临界条件,此时分离效率最高为96.78%。研究结果可为四入口液-液旋流分离器现场应用和适用性提供理论指导。