大型钢锭夹杂沉积区形成过程的计算机模拟

将自浇注起到钢液中自然对流衰减至不足以把允许的最大夹杂物带回底部为止的时间称为临界时间.夹杂沉积区就是在临界时间内所形成的底部等轴晶区,该区由三部分构成:顶面下落的结晶雨;侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶和底部由于传热而造成的凝固生长.本文在以热量平衡为基本原理的凝固数值模拟的基础上,结合自然对流的边界层理论,给出了临界时间的计算方法;又结合氯化铵水溶液的模拟实验,给出了顶面结晶雨的定量计算方法;此外,还提出了侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶,以及钢锭底部由于传热而造成凝固生长的定量计算方法.根据上述模型编制了夹杂沉积区形成过程的数值模拟程序,针对68吨27 Cr2Mo1V 转子钢钢锭进行了夹杂沉积区形成过程的计算机模拟,模拟结果求得切尾率为8.11%.而实际生产中钢锭的切尾率为8.8%.两者大体相符.     

基于体积平均法的NH4 Cl水溶液凝固行为研究

根据合金凝固理论和体积平均多相模型,对NH4 Cl-70%H2 O凝固过程进行了数值模拟和实验验证。虽然研究者已研究过NH4 Cl-70%H2 O凝固过程,但是只针对单个现象进行分析,比如通道偏析的形成、对流形式以及晶粒的形成。在前人研究的基础上,本文首次通过数值模拟和实验对比两种手段相结合的方式全面地研究了氯化铵水溶液凝固整个计算域的全部现象,尤其再现了等轴晶在铸锭中的下落漂移现象以及由此引起的对流,并且更深入地探究了偏析的形成原因。通过计算发现等轴晶从型壁处沉降并逐渐向铸型底部积聚,直到体积分数达到一临界值后,柱状晶停止生长,完成柱状晶向等轴晶转化过程。由于溶质再分配,底部晶粒集中的区域形成了负偏析,在尚未凝固的上部区域形成较大范围的正偏析。通过实验验证发现,等轴晶在铸锭中的下落漂移现象和对流形式的预测值与实验值较为一致,从而全面揭示出凝固过程中固相的移动和对流是产生宏观偏析的关键因素。     

旋转电磁搅拌时机对GCr15轴承钢凝固组织的影响

通过石墨型铸造研究了旋转电磁搅拌时机对GCr15轴承钢凝固组织的影响.结果表明:在钢液凝固过程的不同时间段施加电磁搅拌,对轴承钢的凝固组织具有显著影响,越早施加电磁搅拌,磁泰勒数(表征磁场作用下强制流动的无量纲数)越大,钢液所受的电磁力越大,越有利于柱状晶向等轴晶转变;在0~05min时间段施加电磁搅拌,铸锭等轴晶率提高了52%.此外,电磁搅拌引起的钢液对流推动了凝固前沿枝晶的折断、熔断和游离,枝晶碎片在强烈对流作用下增殖并被带到熔体心部成为异质核心,凝固前沿的温度梯度减小,成分过冷增大,促进了柱状晶向等轴晶转变.     

电渣重熔凝固过程的动态控制

本文建立了电渣重熔凝固过程的动态数学模型,根据该模型对重熔过程中的液态金属熔池深度进行恒值控制,计算出了控制过程中钢锭的局部凝固时间、枝晶前方的温度梯度与枝晶生长速度之比这两个凝固参数。探讨了从凝固参数内在变化的要求出发确定工艺曲线的方法。     

PF-LBM模型模拟强迫对流对二元合金枝晶生长的影响

建立一个耦合格子玻尔兹曼方法(LBM)与相场法的二维模型,以Al-Cu二元合金为例对强制对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行模拟.研究流动速度和各向异性系数对金属凝固过程中枝晶生长的影响.结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快,流速增大会产生涡流,使下游枝晶也生长加速;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长,流场存在会增强各向异性强度对凝固过程枝晶生长的影响.     

蛇形通道制备半固态A380铝合金浆料组织的演变

采用石墨质蛇形通道制备半固态A380铝合金浆料,并研究浆料制备过程中浆料组织的演变. 结果显示,合金熔体在蛇形通道内发生一次凝固,在其通道内壁的激冷和异质形核作用下形成大量的初生自由晶,半固态浆料的剩余液相在收集坩埚内发生二次凝固形成二次非枝晶. 初生晶粒的游离模型表明一部分初生自由晶直接生长为球晶,其他部分则成长为枝晶,枝晶在"自搅拌"的作用下发生缩颈和熔断,通过"自旋转"在蛇形通道内得到初步球化和熟化. 二次凝固形成的二次非枝晶在收集坩埚内得到初步球化和熟化,同时初生晶粒在收集坩埚内得到进一步球化、熟化和均匀分布.     

搅拌条件下晶体游离模型探讨

通过对型臂晶体及枝晶臂的力学分析,提出了晶体游离的条件,进而研究了各种游离模型的适用范围。结论认为,型壁晶体及枝晶臂都可能是游离晶的来源。凝固初期,型壁晶体的机械剥离为主,后期则主要是枝晶臂游离。枝晶臂游离随流动系数的不同可以有颈缩－ 熔断和颈缩－ 折断两种模式。无颈缩枝晶臂游离在搅拌条件下也几乎是不可能的。     

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。     

凝固界面与游离晶的相互作用对晶区形成的影响

将工业纯铝(99.7%)置坩埚中在电阻炉内直接熔化、浇注。采用二种不同的铸型以造成不同的凝固条件。二种铸型都设计有在凝固的任意时间自动倾翻的装置以倾出 残余金属液。铝液浇注温度为665℃。过热约8℃,根据已做的工作[1],浇注后在金属液中应有大量游离晶存在。 研究结果表明,金属液中存在的大量游离晶在金属液自然对流减缓到某一程度时就要沉降堆积(ps>pL)。由于游离晶的沉降堆积与铸件底部凝固层的增长是同时进行的,沉降堆积的速度与凝固层增长速度间的关系就影响到铸件底部晶粒的形貌、尺寸及晶区的形成。当游离晶的沉降堆积速度大于由…     

强迫对流下各相场参数对枝晶生长的影响

利用耦合流场的相场模型,以N-iCu二元合金为例研究各相场参数对金属凝固过程中枝晶生长的影响。结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长;扰动的引入可以促进枝晶二次枝晶臂的生长,但基本上不影响枝晶尖端稳态行为。     

自然对流对套管式相变蓄热器蓄热性能的影响

针对蓄热器内相变材料融化、相变区域自然对流换热过程中蓄热效率不确定问题,以套管式相变蓄热器为基本结构,以添加质量分数为10%膨胀石墨的石蜡作为相变蓄热材料,采用数值模拟的方法研究由重力引起的自然对流对相变蓄热器蓄热性能的影响。结果表明,固液相密度差引起的自然对流对相变蓄热过程有明显的促进作用,数值模拟过程中,考虑与不考虑自然对流时,蓄热器的蓄热时间相差近2倍;不同区域相变材料受自然对流的影响不同,在相变材料融化前期,套管上方由于液相自然对流的影响,融化速率更快。根据蓄热器融化速率和融化状态的特点,通过传热过程理论分析,将融化过程进行分段,可以更加深入地了解蓄热器蓄热过程的机理和规律,为优化蓄热器结构提供理论依据。     

CdGeAs2多晶合成研究

以高纯(6N)Cd、Ge和As单质为原料,按CdGeAs_2的化学计量比配料,采用机械振荡和温度振荡相结合新方法合成出CdGeAs_2多晶锭,经X射线粉末衍射分析表明合成产物为高纯单相的CdGeAs_2多晶.用20℃/min的升温和降温速率对合成的CdGeAs_2多晶进行了DTA分析,结果显示CdGeAs_2多晶的熔化温度为669.24℃、结晶温度为615.55℃.根据DTA分析结果设计CdGeAs_2晶体生长温场,采用改进的Bridgman法生长出外观完整、尺寸为φ15 mm×45 mm的CdGeAs_2晶体,并对其进行解理实验,获得了完整、光滑的解理面,经XRD分析结果显示,连扫谱呈现(101)面的四级衍射峰,(101)面回摆谱峰尖锐、对称性好.     

圆柱形铸锭凝固过程数学模型及其应用

对上、下绝热仅靠侧面换热的圆柱形铸锭,建立了凝固过程的一般微分方程,并求出了它的解析解,得到凝固层厚度与凝固时间的一般关系,为了便于计算,建立了有限差分格式,应用于自然对流和两种转速的强制对流下的Al-Cu合金铸锭实验的具体计算,分别求出了三种实验的凝固过程中的凝固层厚度与凝固速度公式,根据计算结果和实验观测,分析了强制对流对金属凝固过程的作用,获得一些有价值的结果。     

自然对流对方腔内相变石蜡熔化蓄热的影响

相对于传统材料,基于潜热储能的相变材料具有更高的储热效率。为了研究方腔内相变材料的蓄热机理,基于Boussinesq假设修正满足于相变过程的动量方程,并建立底边加热下相变材料熔化蓄热的流-固-热三场耦合计算模型。采用有机相变石蜡材料,开展底部恒定温度下的石蜡熔化蓄热试验,验证计算模型的正确性。结果表明,整个相变石蜡熔化过程是由热传导和自然对流传热两者共同主导的。在熔化初期,熔化前缘基本与加热面平行,热量传输主要由热传导提供。当液相层厚度大于2mm后,自然对流传热效应逐渐被激活,加速熔化速率,并形成不规则的融化前缘。根据熔化前缘与液相流动特征,可将整个熔化过程分为热传导、稳定增长、过渡及紊流四个阶段。此外,液相自然对流传热对相变石蜡的熔化蓄热效率提升存在显著的尺寸效应,并随方腔尺寸增加而加剧。当方腔尺寸小于2mm时,自然对流的提升效率不足1%,此时可忽略不计。     

基于正交设计试验的双锥药型罩结构优化

双锥药型罩成形的影响因素复杂,其壁厚、上锥角、下锥角以及上锥高度占比4个参数对形成射流的特性、侵彻性能产生重要影响。基于正交设计方法分析以上因素对射流特性及侵彻能力的影响。选取双锥药型罩的以上4个参数为正交优化的4个因素,将射流头部速度、速度梯度以及有效长度作为优化时主要的评价指标,对双锥药型罩进行结构方案优化。通过分析双锥药型罩数值仿真优化结果,得到药型罩上锥角为25°、下锥角为55°、壁厚为3.5 mm、上锥占比60%时,其形成的射流具有较好的破甲效果。     

被动式太阳能加热系统动态热特性研究

为揭示特隆布墙体作为热边界条件的被动式太阳能实验房的动态热特性,对被动式太阳能实验房进行了实测;根据相关性理论分析了室内空气温度的多种相互耦合的影响因素.表明烟囱效应诱导的空气热循环是影响室内空气温度最显著的因素;根据频域分析理论研究了集热蓄热墙的传热特性;利用Ra数分析了各壁面温度对自然对流换热的影响;将间层内的自然对流简化为两个垂直平行平板的大空间自然对流问题.分析确定热循环过程中间层内的空气处于从层流到湍流的复杂流态,湍流至少覆盖墙体高度的一半;最后,根据拟舍得到的平均Nu数.将空气热循环划分为起始、稳态和消失3个阶段.