铝铜定向凝固合金热疲劳应力场数值模拟

利用有限元分析软件ANSYS,模拟分析了铝铜定向凝固合金(铜质量分数4.5％)热疲劳应力场的分布,建立了有限元分析模型,得出了热应力在冷热循环条件下的变化规律.结果表明:在一个热循环周期内,热应力开始以小三角形方式向试样内部扩展,之后以2条主线的方式快速扩展,最后热应力变化趋于平缓.在一次循环结束后,试样内部有残余应力...     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

纳米流体微通道热沉的性能强化

基于对纳米流体热导率及黏度公式的筛选,本文发展了纳米流体微通道热沉的三维流固耦合模型,分析了热沉结构、纳米颗粒种类、粒径、体积分数及基液种类等关键参数对热沉性能的影响.结果表明:(1)纳米颗粒随机运动引起的附加热耗散强化了纳米流体的对流换热,显著提高了热沉的冷却性能;(2)纳米流体的强化作用依赖于热沉结构,且依赖关系不同于纯流体,需对纳米流体作为冷却剂的热沉结构进行优化;(3)颗粒体积分数增加,热沉热阻降低,但压降升高,综合考虑热阻和压降,最佳的冷却剂为0.5%体积分数的水基Al2O3纳米流体,相对于纯水,其使热阻降低了10.1%,压降仅增加0.38%;(4)颗粒粒径对热阻影响较小,考虑纳米流体稳定性,推荐使用小粒径的纳米颗粒;(5)Al2O3纳米颗粒优于TiO2,CuO最差,最优的基液为水,依次为乙二醇和机油.     

定向凝固过程中的流动效应

在类合金(NH4Cl-H2O溶液)定向凝固晶体生长实验装置上,利用30μm煤粉作示踪粒子,再现糊状区内微通道流以及通道出口处的流体流动,并测算了各处流体的瞬时速率.分析认为:凝固初期,糊状区内固相体积分数较大,内部流体流动受阻;随着固相体积分数减少,糊状区孔隙率增大,流体充分发展;当平均固相体积分数降至0.42,接近最小值0.38时,当量雷诺数达到临界值(247),糊状区内形成微通道;随着通道宽度逐渐扩大,液相区内热流体进入微通道.微通道内稀冷液体向上流,浓热液体向下流,促使通道内溶液再结晶.     

联箱形式对微通道热沉流动与传热性能的影响

建立了微通道热沉的三维数值模型,同时求解流体Navier-Stockes方程、能量方程和固体区域的导热方程,模型计算结果与文献报道实验数据吻合较好.设计了新型的微通道热沉,采用本文模型对其性能进行分析计算.通过在联箱内加入隔板,设计了1-6弯头新型联箱微通道热沉,通过提高每程流速和引入交替顺逆流动,降低微通道热沉的热阻并提高其均温特性,并与直通型和Z型联箱设计比较.在8种联箱设计中,蛇形弯头联箱的热阻和均温特性均优于Z型和直通联箱,即便增大Z型和直通联箱制冷剂供液泵功,其热阻和均温性也很难达到低泵功下蛇形弯头联箱的性能.蛇形弯头数大于4时,底部中心线温度分布曲线基本重合,再增大弯头数,对降低热阻和提高均温性均无明显贡献,同时会增加额外的泵功.     

定向凝固通道偏析的数值模拟

为了研究二元组分铸锭中通道偏析的形成和发展,建立了双扩散作用下糊状区液相流动与溶质分布的数学模型,并对铸锭定向凝固过程中的通道偏析进行了数值模拟。运用SIMPLE算法编制了求解数学模型的程序,对模型中的质量、动量、能量和溶质等守恒方程联立求解。通过对NH4Cl-H2O铸锭底面冷却、凝固过程进行模拟研究,得到了定向凝固过程中的温度场、流场、溶质场。铸锭底面冷却时,富含溶质的枝晶间液相的流动可形成垂直向上生长的偏析通道,一些偏析通道由于相连通道的优先生长导致溶质贫化而被掩埋。通道的形成与溶质质量分数C0有很大关系,C0越高,越容易形成通道。C0较低的铸锭,只有在溶质富集到一定程度后才会产生通道。     

多孔挤压铝扁管电子芯片热沉的热性能研究

为了探讨多孔挤压铝扁管构成的新型微小通道热沉的换热特性,建立了三维共轭传热数值模型并通过实验验证了该模型的可靠性。模拟分析了在0.03 W的泵功消耗下,不同孔道高宽比、宽度比、孔道数目对热沉传热性能的影响,并详细计算导热热阻、对流热阻和热容热阻。讨论了不同内翅片的宽度及高度对强化传热系数 PEC的影响,提出了最佳的翅片宽度。该研究为此类型热沉的设计提供了参考依据。     

Bridgman法铸铁定向凝固一维传热分析

基于铸铁定向凝固实验，将Ｂｒｉｄｇｍａｎ法定向凝固装置简化为由加热区和冷却区组成的二段式结构，推导出一个简明的一维传热解析解。通过理论分析与计算说明了该解使用的条件。     

定向 凝固界面高梯度绝对稳定性的临界条件

采用教学演绎和数值计算相结合的方法，对Ｍ－Ｓ界面稳定性理论做了进一步分析，预言了高温度梯度绝对稳定性这一新现象；给出了达到高梯度绝对和生的临界条件即临界温度梯度的表达式。     

定向凝固初始过渡区非稳态性质及温度梯度的影响

利用有限差分法对定向凝固初始过渡区的溶质再分配、凝固界面位置以及凝固速度进行了定量计算,重点分析了温度梯度的影响,计算结果表明：初始过渡区存在凝固速度、凝固界面位置的非稳态过程,温度梯度越小,非稳态过程越长;温度梯度较小时,凝固速度数值计算结果与Ｆｕ等提出的指数形式有很大偏离;初始过渡区晶锭组分分布的数值解与Ｔｉｌｌｅｒ近似解偏离较大,Ｔｉｌｌｅｒ近似解所给出的熔质初始过渡区长度偏小;晶锭组分初始     

Bridgman 法铸铁定向凝固一维传热特性的测试分析

作者测试了铸铁定向凝固实验中试样移动时液—固界面位置的变化和稳态凝固段液相中的轴向温度分布，并用试样轴向一维传热解析解对实验结果进行了分析，证实了该传热模型的有效性。     

用于高功率半导体激光器列阵散热的微通道热沉的研制

理论分析了微通道热沉的热阻的组成,采用微机械加工技术和铜直接粘接技术(DBC)制作了冷却大功率半导体激光器列阵的5层结构的无氧铜微通道热沉;通过测试,用其封装的808 nm线阵二极管激光器准连续输出功率达38.5 W,无氧铜微通道热沉热阻为0.645℃/W,热沉的表面温度均匀性好,能有效散热,满足散热要求.     

强磁场对定向凝固Pb-Sn共晶生长影响的初步研究

在10 T强磁场下对Pb-Sn共晶合金沿垂直向上方向进行定向凝固实验,分析了强磁场对共晶生长的影响.实验发现,强磁场下耦合生长的Pb-Sn共晶两相的排列方向明显偏离垂直方向,极端情况下甚至出现近似横向的排列.这种现象的产生与领先相Pb的磁性能相关.     

强磁场对定向凝固Bi/MnBi共晶组织影响的初步研究

进行了10 T强磁场下Bi/MnBi共晶定向凝固实验研究.与普通定向凝固相比较发现:同样凝固参数下,强磁场下制备的共晶组织纤维尺寸变大,纤维间距变宽;而且在纵截面上观察到大量双生条纹状共晶组织,横截面上出现很多粗大中空的六边形MnBi相;随着凝固速度增大,MnBi相尺寸减少,MnBi相纤维间距也减少.     

空气射流冷却圆锥热沉的传热特性分析

采用数值模拟的方法,选择Transition SST湍流模型求解Navier-Stokes方程,研究了空气单孔射流冷却不同夹角圆锥体热沉的传热特性,结合流动特点分析了不同位置的传热差异.结果表明:引入圆锥凸起,极大强化了驻点附近的传热效果;小夹角圆锥热沉的平均换热性能比平板热沉好,且夹角越小,传热强化效果越好.在圆锥底部边缘,先后出现流动分离和二次射流,导致传热被先削弱后增强.     

定向凝固过程流动、传热、传质的耦合数值模拟-I 数学模型

为了研究电磁场作用下定向凝固过程中电磁场对动量、能量和溶质分布的影响，建立了描述多元合金凝固过程多物理场耦合关系的数学模型．基于伪二元思想，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式．依据控制容积的有限差分法（CV—FDM）建立了微分方程的隐式离散格式，采用SIMPLE方法求解．运用该模型通过数值计算可以将工艺参数和凝固过程很好联系起来，为电磁场作用下多元合金定向凝固过程的分析计算和实验提供理论依据．     

连续定向凝固过程铜铬合金的组织与缺陷

研究了铜铬合金的连续定向凝固的工艺条件及相互之间的匹配关系,以及铜铬合金的显微组织及其表面缺陷形成的成因,结果表明,结晶器高度１０－２５ｍｍ,冷却距离２５ｍｍ,合金温度１２１０－１２８０℃,牵引速度０．２－１．０ｍｍ／ｓ,冷却水量７２０Ｌ／ｈ时,可制得Ｃｕ－０．６％Ｃｒ合金材料。     

微通道热沉内液氮的流动沸腾换热实验

通过实验研究了质量流量在62.6~598.6kg/(m2·s)下不锈钢材质的平行微通道热沉内液氮流动沸腾的传热特性,并将实验所测得局部换热系数与经验关联式计算所得结果进行比较.结果表明:在核态沸腾阶段,随着干度增大,热沉的局部换热系数增加并逐渐达到一个峰值;当干度继续增大时换热系数逐渐减小;热沉的局部换热特性受其流型和低温流体工质特殊性的影响,在干度较低的条件下,其实验结果与模型预测结果的变化趋势一致,但预测值大于实验值.     

定向凝固制备多晶硅柱状晶的研究

为了控制定向凝固过程中柱状晶的稳定生长,结合真空定向凝固技术,在一定的工艺参数下,利用真空定向凝固设备成功制备出具有单向凝固组织的多晶硅材料,通过对制备的多晶硅锭从纵截面和不同位置横截面的微观组织进行研究,分析得出了定向凝固过程中多晶硅垂直于底部的柱状晶和大晶粒形成的最佳工艺参数,通过X射线衍射检测,显示晶体择优取向为<111>面,文章还利用晶粒淘汰机制和柱状晶合并机制合理解释柱状晶体长大过程.     

基于热阻网络模型的铜基微通道热沉设计优化

研究表明微通道的截面形状、尺寸以及数量显著影响流体在通道中的传热性能。基于热阻网络模型和计算流体力学(CFD,computational fluid dynamics)模拟,对适用于流动沸腾散热的铜基微通道设计进行了热性能分析。根据实验和模拟计算结果,在确保微通道内热边界层发展区满足恒定壁温条件下,8个平行的尺寸为200μm高,800μm宽,10 mm长的铜基微通道阵列即可满足一般的流动沸腾应用所需要的对流散热量(如6 kW/m~2)。该微通道热沉设计可以在30 min内达到稳定,也可以在相对较短的时间内将目标系统维持在稳定的合理工作温度。此外,实验结果表明在微通道入口处的流体冲击流动可以提高微通道壁面与工作流体之间的对流换热系数,并且在很大程度上降低了壁温。