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．     

等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型，以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况．综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化／凝固相变潜热等对熔池温度场的影响．采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析，利用ANSYS有限元软件求解所建立的模型，得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况．模拟结果表明，随焊接电流的增大和焊接速度的减小，熔池体积增加，熔宽和热影响区都增大．试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性．     

相变平板可变热容热阻简化模型研究

针对相变平板的传热问题建立了一种可变热容热阻简化模型,对相变平板凝固、熔化过程的传热特性进行了模拟分析.以相变平板传热数值模型的计算结果为参考,进一步将简化模型计算结果与相变平板传热数值模型的求解结果进行对比分析,结果表明:在凝固或熔化过程中平板温度变化及热流变化与数值计算结果基本一致,其平均温度误差小于0.5℃,热流相对误差小于10%;相变平板可变热容热阻简化模型准确性很好,其计算效率远高于数值模型,在同一台计算机上简化模型的计算时长仅为数值模型的1%左右.     

低碳钢连续浇注过程的数值模拟

对铁-碳二元舍金二维轴对称的连续浇注过程采用混合流模型进行了数值分析，充分考虑了湍流、传热和溶质输运之间的耦合，湍流输运使用了一个修正的LAM-Bremhorst低雷诺数模型．采用控制容积的有限差分法进行求解．对计算结果作了分析讨论，仔细比较了各种参数对浇注过程，特别是对溶质分布的影响．     

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．     

用边界元法求解非连续域的凝固传热问题

通过接触边界的偶联．导出了求解二维非连续域非稳态凝固传热问题的边界元法数学模型、编制了计算程序．以金属模型内的铸坯凝固传热为例进行了计算．计算结果与使用有限差分法的计算结果吻合．     

铜／钢反向凝固过程数值模拟中接触热阻的处理

以液固相反向凝固法生产的包铜钢线为研究对象，提出了反向凝固过程中在数值模拟时铜-钢界面处接触热阻的处理模型．在选择合适的热阻参数条件下，模拟结果和实验结果基本吻合．     

铸件凝固进程数值模拟计算误差分析

以数值分析为手段研究了铸件凝固进程数值模拟计算误差的变化规律．研究表明：凝固数值模拟计算误差随网格尺寸的减小而减小，但时间步长对计算误差影响不大．凝固数值模拟结果（温度、固相率、液固界面位置等）存在波动现象，其产生原因是在凝固潜热计算中采用了温度回补法．     

水平轴风力机转轮气动性能的数值解法

以有限叶片数的旋涡气动模型为依据，用有限差分法求解描述该模型的积分微分方程，可建立一种确定水平轴风力机转轮气动性能的计算方法．该方法不只用于转轮气动正问题的求解，同时还可作为转轮气动优化设计的依据．本文先着重介绍了Ｈ．Ｅ．茹可夫斯基所提出的转轮旋涡气动模型和他所推导的求解诱导速度的表达式以及求环量分布的积分微分方程．之后，作者将积分方程已有的解法进行了改进，从而得到该方程的数值解，并提出两种求解转轮气动性能的数值解法．最后给出了转轮气动性能的几种算法的比较．     

静水中正方形孔口浮力射流特性的研究

建立了静止环境中正方形孔口浮力射流的三维湍流模型，考虑浮力对射流的影响，采用混合有限分析数值格式来离散求解数学模型，给出了其数值模拟结果．为验证该数学模型和计算方法以及所得到的数值结果的正确性，对静止半无限环境中的正方形孔口的浮射流进行了试验，测量得到了各工况下轴线上的温度，试验资料与数值模拟结果的良好吻合表明该数学模型和计算方法能有效的模拟该类流动．将试验结果与已有的圆孔浮射流的轴线浓度比较发现两符合良好．同时在离射流孔口一小段距离后，数值模拟得到的不同高度位置处的温度和纵向流速等值线分布形态与圆孔浮射流的分布形态完全一致，并验证了温度和流速自相似区域的存在．     

岩浆侵入多孔储层的热效应数学模型及其应用

 构建了一个岩浆侵入多孔储层中的热效应数学模型,提出了模拟地质系统中的岩浆侵入/凝固热效应的等效算法,基于物理和数学方程上的等价原理,用瞬态有限元分析将岩浆侵入与岩石之间原始凝固边界移动问题,转化为一个边界没有运动的物理等效热源的新问题,即单步凝固模型与多步（三步）凝固模型。所提出的等效算法的主要优点是有限元网格大小固定,采用变积分时间步长来模拟有限元分析的侵入岩浆凝固热效应。多种热效应模型的对比发现,单步凝固模型与多步（三步）凝固模型的数值解具有近似的精度,所以单步凝固模型是有效模拟多孔岩石中岩浆侵入的热效应模型。单步和多步（三步）凝固模型与王民模型、Zhao 模型对比后发现,单步和多步（三步）凝固模型与Zhao 模拟的效果更为接近,理论上也更接近地质实际。通过对商56区块沙三段油藏辉绿岩侵入热场的模拟分析应用,推算得到商56 区块沙三段油藏的热裂解量为9.02×10⁴ m³,指出该油藏的保存条件有限,存在着大量的油气渗漏,并且原油的大部分损失是由于渗漏散失造成的。     

铸件/铸型边界模型对用于RT的凝固模拟精度影响的研究

在快速模具制造工艺 RT (Rapid Tooling)中 ,采用尺寸凝固模拟技术保证铸件的尺寸精度是 RT工艺中关键的技术环节 ,而凝固分析中铸件 /铸型边界模型的正确与否对尺寸凝固模拟精度有着重要的作用。采用 3种不同的铸件/铸型边界模型对 RT工艺中典型标准件的凝固过程进行数值分析及实验验证 ,分析结果及实验证明在 RT工艺铸件尺寸精度的凝固分析中 ,铸型 /铸件的边界模型采用铸件、铸型均为热变形弹塑性体 ,且采用接触力学中的接触单元法对铸型 /铸件的边界进行分析更符合实际。采用这种铸件 /铸型边界模型对汽车覆盖件模具的凝固过程进行了热力耦合分析 ,数值计算得到的铸件尺寸与实际铸件的尺寸吻合较好 ,证实所采用的铸型 /铸件边界模型是正确的、可行的     

二元合金凝固微观模型的研究现状

基于对二元合金凝固过程宏观传输耦合数学模型中非平衡凝固路径和局部液相溶质浓度的确定,详细讨论了两种不同类型的微观凝固数学模型,即凝固动力学模型和凝固微观偏析模型,对其中的确定性凝固动力学模型和微观偏析半解析模型的研究现状分别进行了回顾,分别讨论了凝固动力学模型和微观偏析模型的主要影响因素,即过冷度和形核率以及固相反向扩散和枝晶结构粗化,对凝固微观模型在合金凝固过程耦合数值模拟中的应用价值及其未来的研究方向进行了阐述.     

A coupled model of TiN inclusion growth in GCr15SiMn during solidification in the electroslag remelting process

TiN inclusions observed in an ingot produced by electroslag remelting (ESR) are extremely harmful to GCr15SiMn steel. There-fore, accurate predictions of the growth size of these inclusions during steel solidification are significant for clean ESR ingot production. On the basis of our previous work, a coupled model of solute microsegregation and TiN inclusion growth during solidification has been estab-lished. The results demonstrate that compared to a non-coupled model, the coupled model predictions of the size of TiN inclusions are in good agreement with experimental results using scanning electron microscopy with energy disperse spectroscopy (SEM-EDS). Because of high cooling rate, the sizes of TiN inclusions in the edge area of the ingots are relatively small compared to the sizes in the center area. Dur-ing the ESR process, controlling the content of Ti in the steel is a feasible and effective method of decreasing the sizes of TiN inclusions.     

连铸板坯轻压下过程中间裂纹产生机理

针对板坯连铸过程中间裂纹严重的问题,对中间裂纹的形貌、元素偏析等情况进行分析.通过建立有限元模型,对不同压下位置和不同压下量凝固前沿的受力情况进行计算并与临界应力值进行对比.结果表明：C、P、S等元素在晶界处富集只是促使中间裂纹开裂的内因,真正造成铸坯开裂的原因是凝固前沿所承受的拉应力.铸坯通过矫直段时,多处位置的凝固前沿所承受的拉应力超过钢的临界值,导致凝固前沿容易开裂延伸,形成中间裂纹;而弧形段和水平段处凝固前沿所承受的拉应力不超过钢的临界值,无裂纹产生.统计现场大量轻压下的实验结果显示：轻压下避开矫直区进行时,中间裂纹的发生率降低约41.3%.     

双辊连铸薄带凝固组织仿真模拟的微观模型

在研究双辊薄带连铸工艺凝固过程的基础上,运用金属凝固的基本原理并用现代计算机仿真技术建立了双辊连铸薄带凝固的形核、枝晶尖端的生长动力学、柱状晶向等轴晶生长的转变（CET）的解析模型及仿真模型,为双辊连铸薄带凝固组织形式的仿真模拟奠定了基础。     

湿型铸件凝固进程数值模拟

建立了湿型铸件凝固进程数学模型，提出了模拟湿型中水分汽化热吸收 的等效温度法。对湿态粘土砂型中纯铝铸件凝固进程进行了数值模拟和实测研究。结果表明，湿型中水分含量对铸件凝固进程有明显影响，铸件凝固时间 随湿型水分含量的增加而减少，壁厚为４ｃｍ的纯铝铸件在水分含量１６％的 湿型中的凝固时间仅为在２％水分含量的湿型中的一半。     

圆坯连铸过程中坯壳生长规律

采用 ANSYS 软件建立了圆坯连铸过程的二维凝固传热模型,通过射钉实验以及表面温度的测定对模型进行了实验验证。结果表明模型能较准确地得到任意位置处铸坯坯壳厚度以及预测凝固终点位置。在传热模型的基础上结合铸坯低倍观察着重分析了圆坯坯壳生长规律。发现圆坯凝固过程中柱状晶区坯壳的厚度与凝固时间的平方根呈线性关系,符合平方根定律,并对平方根定律进行了修正,修正项与过热度和凝固速率有关;铸坯中心等轴区坯壳厚度与凝固时间平方根为非线性关系,凝固坯壳的生长不再符合平方根定律;间接证明了圆坯柱状晶生长是单方向传热,等轴晶生长时传热方向不唯一。     

大方坯连铸过程凝固规律

通过建立425mm×320mm连铸大方坯二维凝固传热数学模型,模拟了凝固坯壳的长大过程,并通过窄面射钉实验对数学模型进行了验证,精确得到了任意位置处大方坯凝固坯壳的厚度分布情况及最终凝固终点的位置,发现经典的凝固平方根定律对于连铸大方坯的凝壳长大进程不再适用．回归宽面中心坯壳厚度与凝固时间平方根的关系式发现,结晶器弯月面至二冷区出口,近似为线性关系,符合平方根定律,二冷区出口至凝固终点,二者为非线性关系,不再符合平方根定律．