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.     

NaBi(WO4)2 枝晶生长实时观察及其凝固组织研究

利用高温晶体生长实时观察装置, 观察并研究了小Prandtl数、高熔点、透明的NaBi(WO₄)₂ (NBWO)氧化物中的枝晶生长过程. 根据其动态图像及细节信息分析, 枝晶不同主干和分支之间的竞争现象以及熔体中的对流效应均存在抑制枝晶生长作用. 枝晶生长速度随时间变化, 其中主干生长速度在熔体扩散区达到最大值5.8 mm/s, 当其前沿进入对流区后, 生长速度迅速减小, 枝晶分支的生长速度变化也具有相同的规律. NBWO熔体急冷后凝固组织的EPMA-EDS分析表明, 枝晶生长不同阶段固液界面前沿熔体中存在成分偏离化学计量比现象.     

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.     

ACRT强迫对流对定向凝固过程传热传质的影响

计算模拟了采用加速坩埚旋转技术的Bridgman法(ACRT-B)碲锌镉单晶体生长过程,以流函数图清晰地展示了晶体生长过程中固液界面前沿对流的周期性变化,以等温线图展示了界面前沿熔体温度场的变化,以等浓度线图展示了晶体内的组分偏析.计算结果表明:强迫对流显著提高了熔体中溶质分布的均匀性,可得到均一的熔体浓度场.强迫对流显著增加了固液界面凹陷深度.与不施加ACRT相比,强迫对流增加了晶体内溶质成分的轴向偏析,显著减小了径向偏析.     

铝熔体在铸嘴型腔中的传热及凝固现象分析

在双辊铝带坯铸轧工艺中,前箱铝熔体的温度对金属熔体在铸嘴型腔中的流动性能、铸轧速度和铝带坯质量有重要影响,而确定前箱铝熔体温度的基本依据是熔体在铸嘴型腔中的能量损失.目前,双辊铸轧铝带坯生产中前箱铝液温度主要通过经验或大量试验确定.通过分析金属熔体在铸嘴型腔中的对流换热及凝固现象,建立了非稳态和稳态传热过程中金属熔体在铸嘴型腔中的温度变化近似数学模型.这对合理确定参数(铸轧速度、铸嘴的几何尺寸和环境温度等)不同时前箱熔体温度提供了理论依据.     

低频电磁铸造过程中温度场的形成机理

通过理论解析研究了电磁场引起铸造过程中温度场改变的原因,并通过在铸造过程中连续测温的方法进行了实验验证.结果表明,低频电磁铸造对温度场产生影响的主要原因是低频电磁场引起熔体强制对流.强制对流对熔体产生强烈的搅拌作用,促进了熔体内部的热交换,加强了熔体与结晶器壁(石墨环)以及熔体和固液界面的传热,使熔体温度场非常均匀,接近于同一温度.研究还发现,低频电磁铸造过程对浇注温度不敏感,改变浇注温度,结晶器内熔体温度变化不大.     

细长坩埚内分离结晶过程中熔体流型的转变

在微重力条件下,采用有限差分法对细长坩埚（无因次高径比A取2）内分离结晶生长CdZnTe晶体过程中的熔体热毛细对流进行了三维数值模拟。选取狭缝宽度B为0.1、0.075及0.05,考虑熔体顶部为固壁边界条件,得到了分离结晶过程中熔体热毛细对流的速度和温度分布,着重分析了熔体内部流型的转变过程。结果表明：当Marangoni数较小时,在下自由表面的表面张力作用下,熔体内部会产生顺时针方向的流胞,熔体的流动为稳态且流动较弱,但随着Ma数的增大,熔体的流动范围逐渐增大并且强度不断增强,熔体内部温度的非线性分布逐渐加剧;当Marangoni数超过某一临界值后,熔体内部的流动将由稳态转变为非稳态。     

强制对流对 AlSi7.0 合金定向凝固界面溶质分布的影响

研究了定向凝固条件下强制性对流对ＡｌＳｉ７．０合金凝固界面溶质原子分布的影响。强制性对流是利用金属熔体流过凝固界面上方的内部坩埚底部中心的开孔形成的。试验结果表明,随着冷却速度的提高,试样中共晶体的体积分数减小,而共晶体中硅的体积分数却有所增加。强制性对流条件下,合金的共晶体体积分数以及共晶体中的Ｓｉ粒子的体积分数都较只有自然对流时高。     

新型强化传热螺杆结构传热性能数值研究及场协同分析

利用CFD软件fluent对普通螺杆结构和新型强化传热螺杆结构在塑化计量段中的三维非等温流场进行数值模拟,研究两种结构流道内熔体的速度场、轴向和径向温度场、对流传热系数及场协同角的不同。结果表明：在塑化过程中,新型强化传热结构存在着径向的对流传质过程,加强了径向的对流传热,因此有较好的径向温度分布;新型结构较普通螺杆结构有较高的对流换热系数和较好的场协同性,从而加强了螺杆的对流传热。     

Cz法大型砷化镓单品生长中熔体流动和传热

采用低雷诺数κ-ε模型，计算分析了Cz法大型砷化镓单晶生长中熔体内的热量、动量输运特性。结果表明：适当的坩埚旋转能有效抑制晶体旋转产生的对流和浮力对流，增大晶体转速能使晶体／熔体界面附近等温线更加平直，适当的坩埚、晶体转速匹配能够抑止晶体／熔体界面附近的温度波动，热毛细力对强烈熔体流动的影响可以忽略不计，但对较弱的熔体流动影响较大。文中还给出了较为适宜的坩埚、晶体转速匹配方式。研究结果为生长高质量大型砷化镓单晶提供了有重要价值的数值依据。     

Fe-C二元合金凝固过程强制对流作用下柱状晶生长行为的数值模拟

文章在前期建立的微观元胞自动机模型的基础上,耦合动量传输模型、质量传输模型和热量传输模型,建立了考虑流体流动的宏微观多尺度二维枝晶生长数学模型CA-FVM。并采用CA-FVM模型研究了强制对流作用下Fe-0.82C二元合金凝固过程枝晶生长规律。数值模拟表明:强制对流明显地改变了枝晶生长规律,靠近强制对流入口处枝晶生长受抑制作用较明显,枝晶生长较慢,远离强制对流入口处枝晶受抑制作用较弱,枝晶生长较快。同时,随着强制对流强度的增加,枝晶生长受熔体流动的影响更加明显,加剧了枝晶的非对称生长。     

Cu-Sn合金熔体的结构变化

利用高温熔体黏度仪和自主研制的液态金属磁化率测量仪测量了Cu₆₅Sn₃₅合金熔体的黏度、磁化率随温度的变化规律. 结果表明, 黏度和磁化率随温度的变化曲线均存在不连续点. 经过高温X射线衍射仪研究熔体结构, 发现在物性突变温度处合金熔体的相关半径、配位数也存在明显的变化, 这说明熔体的微观结构存在变化. 经分析认为在突变温度出现了类Cu₆Sn₅相的金属间化合物结构, 从而造成了结构的突变.     

镁锭坯金属内套结晶器电磁铸造工艺数值模拟

针对传统低频电磁铸造工艺中,镁合金熔体与保温帽的高反应性,严重影响了生产效率与产品质量的问题,通过数值模拟方法研究了采用全金属内套结晶器时电磁场参数对电磁场分布及其对镁合金熔体作用效果的影响.结果表明:电磁频率同时影响洛伦兹力大小与方向,低频电磁作用深、焦耳热小、熔体受约束作用弱、对流作用强、液穴浅;高位线圈有利于提高电磁作用深度,但也加强了熔体表面的外推速度与强度;高电阻率内套具有较小的焦耳热.     

含原子团簇的Zr基大块非晶合金熔体能量模型

建立了含有原子团簇的大块非晶合金熔体能量模型, 对Zr-Al-Ni三元系合金进行计算得到了含有原子团簇的Zr-Al-Ni合金熔体自由能和界面能分布, 并分析了原子团簇对于熔体自由能、界面能以及形核率的影响. 计算结果表明, 由于存在Zr²Ni原子团簇, 使Zr-Al-Ni三元系合金在易获得非晶成分范围内的熔体自由能降低和界面能增加, 且改变界面能随合金成分的分布. 对于Zr₆₆Al₈Ni₂₆合金熔体, 原子团簇的存在导致自由能降低0.3~1 kJ/mol, 界面能增加0.016 J/m². 由于熔体的自由能和界面能的改变, 显著降低了过冷熔体的形核率, 最大形核率降低至10⁷ mol^-1•s^-1数量级.     

地面分离结晶过程中熔体内部的流动特征

为掌握地面条件下分离结晶过程中熔体内部的流动规律,采用有限差分法对分离结晶生长CdZnTe晶体熔体内热毛细-浮力对流作了三维数值模拟,在计算过程中熔体无量纲高度H取1,无量纲气缝宽度B分别取0.100,0.075,0.050和0.025.结果表明:当Marangoni数较小时,熔体流动呈较弱的稳态流动;随着Marangoni数增加,熔体内部流动逐渐增强,温度梯度逐渐加大;当Marangoni数超过临界值,流动转变成非稳态流动,熔体内部流场和温度场出现振荡;随着气缝宽度减小临界Marangoni数增大.     

一类马兰哥尼对流问题的同伦解析解

马兰哥尼对流对金属的晶体生长过程具有重要影响.研究附加材料流过初始熔体的马兰哥尼对流模型,用一种解析的方法--同伦分析方法和数值逼近法求解了该问题的非线性常微分方程组,求得了与数值解接近的近似解析解,并给出了无量纲速度分布的图形.     

DSC法研究Ge熔体的过冷及凝固

将DSC技术与助熔剂(B₂O₃)处理技术相结合, 实现并准确测量了Ge熔体的过冷现象. 利用该方法, 实验得到Ge熔体的最大过冷度为190 K. 在实验冷却速率范围内(5~40 K/min), 冷却速度越大, 过冷度越大. 在冷却速率一定的情况下, 所达到的过冷度随熔体过热度的增大而增大, 并逐步趋向于常数. 研究了过冷Ge熔体的凝固现象, 分析了Ge熔体的非等温结晶过程, 冷却速率越大, 则试样完全结晶所需时间越短.     

氢在金属熔体中的溶解度计算模型

通过文献调研,总结了氢在不同金属熔体中溶解度变化规律。通过比较不同影响因素的作用,指出氢与金属熔体的电子相互作用是决定氢在金属熔体中溶解度的主要因素。基于近自由电子模型,提出了表征这种电子相互作用和计算氢在金属熔体中溶解度的金属熔体有效电荷密度模型。结果表明:氢在过渡族金属熔体中的溶解度远高于在其他金属熔体中的溶解度,而且随着原子序数的变化呈现有规律的变化,金属熔体有效电荷密度模型很好地解释了这种变化规律。     

异向平行啮合型双螺杆挤出机熔体输送段三维流场分析

建立了高聚物熔体在异向平行啮合型双螺杆挤出机熔体输送段的三维等温流动模型,利用ANSYS有限元分析软件对流场进行了分析,求出了熔料在螺槽内的速度场、压力场和粘度场的分布。通过流率计算,分析了不同的啮合间隙及操作条件对此类挤出机工作特性的影响。     

冰晶石-氧化铝熔体中的酸碱体系

通过对离子熔体中酸碱定义的引入,确立了冰晶石-氧化铝熔体中的2大主要酸碱体系;分析了不同酸度对氧化铝溶解和融盐电解的影响;通过对冰晶石-氧化铝熔体中酸碱络离子的分析,确立了熔体中各络离子的配位结构