落管中Cu-Sb合金的深过冷与快速枝晶生长

采用落管方法实现了Cu-20%Sb亚共晶合金在无容器条件下的快速凝固。随着液滴直径的减小，过冷度逐渐增大，初生Cu枝晶发生组织细化。实验中获得了207K的过冷度，最大过冷度达到0．17TL.理论分析表明，由于这合金具有较宽的凝固温度间隔，初生Cu枝晶的快速生长始终受溶质 扩散控制，根据对Cu-Sb合金相图中T0线的计算，揭示出发生偏析凝固的临界过冷度为△T0=474K。在最大过冷度207K时，初生Cu相的生长速度达到37mm/s，发生了显著的溶质截留效应.     

气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理及粒径分布

对竖直管内气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理,截面液相分布及夹带液滴粒径分布进行深入的实验研究,讨论了搅拌流内夹带液滴产生方式,揭示了夹带液滴产生方式对夹带液滴粒径大小影响规律,获得了搅拌流内液滴粒径分布特性.结果表明,不同的流动条件下,搅拌流内存在液桥破裂、袋式破碎和丝带式破碎3种夹带液滴产生方式.在弹状流向搅拌流转变时,液桥被气相来流冲破产生大液块;当气速较低时,夹带液滴以袋式破碎为主,夹带液滴粒径较大,气相场液滴浓度较高,液滴夹带效果显著;随着气速的增加,袋式破碎机理受到抑制,丝带式破碎机理作用逐渐显著并最终占主导地位,夹带液滴粒径较小,且气相场液滴浓度在搅拌流向环状流转变点附近达到最低.     

弹性应变能对Ni_(75)Al_(17)Zn_8合金过渡有序行为影响的微观相场研究

微观相场模型研究了弹性应变能对Ni75Al17Zn8合金过渡有序行为的影响.结果表明:原子图像演化经历了:溶质原子簇聚+L10短程有序→L10长程有序化→L12相形成的过程,在形成L12相之前,先发生了基体到低有序度预析出L10相的一次转变,后发生L10→L12的二次转变行为;弹性应变能增大对L10短程有序化进程影响不大,却明显缩短溶质原子的簇聚时间,加快L10长程有序转变;同时,随弹性应变能增大,有助于二维平面L10相晶体取向的单一性,并增大Al,Zn原子的长程有序度,而温度增加,过渡有序相的有序度减小.     

四元Ni基合金中的快速枝晶生长

采用熔融玻璃净化法与电磁悬浮无容器处理技术实现了Ni-10%Cu-10%Fe-10%Co四元合金的深过冷与快速凝固, 实验获得样品最大过冷度为276 K(0.16T_L). 差示扫描量热(DSC)分析与X射线衍射(XRD)分析表明, 所有凝固样品的组织均为α-Ni单相固溶体. 随着过冷度的增大, 合金显微组织由枝晶转变为等轴晶, 并显著细化. 深过冷条件下溶质截留效应增强, 微观偏析程度减小. 对不同过冷度下的枝晶生长速度进行了实验测定, 结果表明V和ΔT 之间存在指数函数关系: V=8×10^−2ΔT^1.2. Cu, Fe, Co三种溶质元素的引入显著提高了合金枝晶生长速度.     

考虑溶质原子拖拽效应及各向异性的元胞自动机法模拟钛合金单相区静态粗化

晶粒静态粗化是一种重要的物理现象,严重影响微观结构的演化和材料的力学性能.如何有效模拟这一过程已经成为该领域的研究热点.本文通过考虑溶质原子拖拽效应和晶界迁移各向异性对晶粒粗化的影响,建立了元胞自动机模型,并对钛合金单相区静态粗化过程进行了模拟.为了描述不同溶质原子的拖拽效应对粗化的影响,文中将溶质原子在beta相中的扩散速度等效转化成钛原子的迁移速度.为此,提出了定量描述溶质原子扩散速度与钛原子迁移速度之间转化关系的数学表达式.其中,表达式中考虑了影响溶质原子扩散速度的因素如溶质原子的半径、原子质量及晶格类型.通过引入参数c0考虑晶界迁移各向异性对粗化的影响.当c0为1时,则认为晶界迁移为各向异性,若为0时则认为是各向同性.将上述表达式应用到元胞自动机模型中,模拟钛合金(包括TC4,Ti17,TG6和TA15)在单相区的静态粗化现象.预测结果包括粗化动力学和组织演化与试验进行了对比,而且较为吻合.最后,讨论了时间、温度和化学成分对粗化的影响,以及本文元胞自动机模型预测粗化的局限性.     

超声场中Sn-38.1%Pb 共晶合金的动态凝固

Sn-38.1%Pb 共晶合金在频率为35 kHz 的超声场中发生凝固时, 随着试样高度H 的降低, 声场对宏观偏析的抑制效果更加显著, 球状共晶团在凝固组织中所占体积分数相应增大. 当H 等于声波在合金熔体内的波长λ时, 超声场能够扩大初生(Sn)相分布区域, 缩小Sn-Pb 共晶和初生(Pb)相分布区域. 同时, 初生(Sn)相晶粒显著细化, 生长方式发生“枝晶-等轴晶”的转变. 对于 H=λ/2 和λ/4 的合金试样, 超声场能够促进熔体形核, 降低合金整体过冷度. 分析表明, 超声场中的空化效应抑制了熔体过冷, 声流促进共晶生长界面前沿的温度场和浓度场呈空间对称分布, 使Sn-Pb 共晶以三维对称方式生长.     

金属熔体微滴凝固过冷度的DSC研究

采用DSC实验方法研究了冷却速率对金属熔体微滴凝固过冷度的影响, 并从理论上进行了分析, 得到了冷却速率对过冷度的影响及其变化趋势的具体规律. 结果表明, 过冷度随着冷却速率增大而提高, 且过冷度随冷却速率增大而变化的趋势逐渐减小. 当冷却速率无限增大时, 过冷度随冷却速率增大而提高的趋势趋近于零, 由此可知过冷度随着冷却速率的增大而提高存在上限极值.     

DSC研究单个纯Sn微滴过冷度的尺寸效应

利用差示扫描量热仪, 对纯Sn单个微米微滴凝固过冷度的尺寸效应进行了研究. 用于测试的纯Sn微滴通过溶剂包裹重熔液淬法制备. 由于在一系列连续的加热冷却过程中, 测试的单个球形微滴的形状基本保持不变, 使得研究微滴尺寸对过冷度的独立影响成为可能. 结合热力学数据, 采用经典形核理论进行计算, 发现单个金属微滴凝固过冷度随微滴尺寸减小而增大, 与实验结果一致.     

液态GaAs快速结晶过程中的微观结构演变

采用分子动力学方法对液态Ga As在1×10~(10) K/s冷速下的快速结晶过程进行模拟,并采用双体分布函数、原子平均能量、键角分布函数、二面角分布函数和可视化等方法对凝固过程的微观结构变化进行分析.结果表明:凝固过程中,Ga As的结晶温度T_c为1460 K,当温度高于T_c时,体系处于液态无规网络结构;当温度低于T_c时,Ga和As原子迅速形核结晶,形成闪锌矿为主的多晶结构,并在晶界处形成共晶格孪晶结构,其中晶界处形成一层纤锌矿结构.在温度低于520 K时,As原子偏聚形成简单立方结构As_8.     

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵放热反应器内丙酮催化加氢:颗粒内热质传递的影响

颗粒内传热传质对IAH-CHP固定床放热反应器性能具有重要影响.本文建立了管径和催化剂颗粒直径之比n=4的圆柱形放热反应器120°的三维局部模型,使用Fluent商业软件对模型内流场、组分和温度分布进行了模拟研究.重点研究了颗粒内传热传质特性对组分分布、温度分布、异丙醇产量及选择性的影响,并给出了最优的催化剂颗粒直径dp和催化剂内部微孔直径d0值.模拟结果表明,颗粒内温度分布较均匀,对反应影响不明显;大的dp值和小的d0值会显著增大催化剂颗粒内部的反应物浓度和反应速率梯度,降低催化剂的使用效率,降低异丙醇选择性.优化模拟结果说明,对于丙酮高温加氢放热反应,球形催化剂颗粒应选择催化剂颗粒直径1 mm,微孔直径10 nm.     

溶菌酶晶体生长过程中固腋流动体系的流体特性

在用批量法生长溶菌酶晶体的过程中，使用粒子图像测速技术观测晶体生长固／液体系的宏观速度场，使用长工作距离显微镜测定了晶体（110）面的法向生长速率和晶体周围溶液的局域速度场．实验结果表明，固／液体系的平均流速、最大流速以及单个晶体周围的局域流速均具有起伏特性．基于蛋白质晶体的对流一扩散模型，计算了有效浓度边界层厚度δeff,界面溶质浓度Gi以及特征速度V.计算结果表明，在实验条件下，溶菌酶的晶体生长过程主要由表面动力学控制，浮力对流在质量输运中的份量很小，但随着过饱和度的增加，质量传输的份额有增大趋势．计算结果还表明，浮力对流所产生的剪切力的量级为10^-21 N，远小于溶菌酶分子间的键力，因此浮力对流产生的剪切力不会对溶菌酶晶体生长产生很大影响．     

双扩散对流条件下圆柱容器内温度场和浓度场分层现象

对圆柱容器内的双扩散对流进行了数值模拟, 结果给出了在双扩散对流情况下温度场和浓度场非水平分层的新特征: 在分层阶段, 温度场竖直壁面附近的等温线高于中心轴处, 浓度场则是中心轴附近的浓度等值线较高. 通过与由热浮升力和溶质浮升力单独引起的自然对流产生的分层现象进行对比, 阐述了产生这一非水平分层特征的机理. 同时进一步探讨分析了Le数以及浮升力比 等物性参数对这种温度场和浓度场非水平分层的影响. 结果表明, 随着Le数的增大(Le = 1~15), 一方面浓度场分层所涉及的区域越来越小, 另一方面在Le数较小的时候, 温度场的非水平度有所增加, 当Le数增大到一定程度后, 温度场的分层在容器上部有趋于水平的趋势; 当浮升力比N增大时(N = 0~2), 浓度场的非水平分层逐渐趋于水平; 温度场的非水平分层则进一步加剧.     

溶菌酶晶体生长过程中固/液流动体系的流体特性

在用批量法生长溶菌酶晶体的过程中, 使用粒子图像测速技术观测晶体生长固/液体系的宏观速度场, 使用长工作距离显微镜测定了晶体(110)面的法向生长速率和晶体周围溶液的局域速度场. 实验结果表明, 固/液体系的平均流速、最大流速以及单个晶体周围的局域流速均具有起伏特性. 基于蛋白质晶体的对流-扩散模型, 计算了有效浓度边界层厚度δ_eff, 界面溶质浓度C_I以及特征速度V. 计算结果表明, 在实验条件下, 溶菌酶的晶体生长过程主要由表面动力学控制, 浮力对流在质量输运中的份量很小, 但随着过饱和度的增加, 质量传输的份额有增大趋势. 计算结果还表明, 浮力对流所产生的剪切力的量级为10^-21 N, 远小于溶菌酶分子间的键力, 因此浮力对流产生的剪切力不会对溶菌酶晶体生长产生很大影响.     

旋转磁场强度和频率对Pb-Sn合金凝固组织的影响

研究了Pb-45%Sn亚共晶和Pb-85%Sn过共晶合金在旋转磁场作用下的凝固组织, 发现旋转磁场使得初生相的生长形貌由原来的枝晶形态变为椭球状, 具有碎断和细化作用. 碎断和细化的程度随磁场强度的增大而加强, 但是, 当磁场强度高达一定值时, 初生相的晶粒尺寸反而变大, 磁场强度在碎断和细化凝固组织时存在最佳值. 此外, 旋转频率的高低影响磁场在熔体中的作用距离, 进一步影响熔体温度场和溶质场的均匀化. 合适的旋转频率和磁场强度是凝固组织细化和均匀化的关键因素. 磁场的引入, 影响了液固体系的热力学函数, 导致临界晶胚的吉布斯自由能和原子的扩散激活能的降低, 提高了形核率.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

三元Fe-Co-Cu包晶合金中壳核组织形成机制

三元Cu₅₀Fe_37.5Co_12.5包晶合金液滴在自由落体过程中发生亚稳液相分离, 主要形成由L₁(Cu)和L₂(Fe,Co)两相构成的壳核组织. 在测定固相面和液相面温度以及液相分离临界过冷度的基础上分析了壳核组织形成机制, 发现分离两液相的界面能随温度降低而增大, 合金液滴沿着半径方向从内向外存在着由小变大的温度梯度. 作用于L₂(Fe,Co)相上的Marangoni力(F_M)随其尺寸增加而增大, L₂(Fe,Co)相小液滴在F_M力的作用下从外向内迁移过程中逐渐粗化, 同时发生碰撞和凝并, 进而形成壳核结构的凝固组织.     

自由落体条件下的快速偏晶凝固

采用落管方法实现了Ni-31.4%Pb偏晶合金在微重力和无容器条件下的深过冷和快速凝固. 理论计算表明液滴下落过程中获得的过冷度与其直径呈指数函数关系, 实验中获得了241 K(0.15 T_m)的最大过冷度. 发现随过冷度的增大, 偏晶胞组织在整个试样中的体积分数增大, 且L₂(Pb)相显著细化. 对L₂(Pb)相和α-Ni相的形核率进行了理论计算, 结果表明偏晶转变过程中L₂(Pb)相总是领先形核相.     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

三元Al-Cu-Si共晶合金的深过冷与快速凝固

在常规凝固条件下, 液态铝合金由于容易氧化而难以达到深过冷状态. 本文采用熔融玻璃净化法并结合循环过热实现了液态Al_80.4Cu_13.6Si₆三元共晶合金的深过冷和快速凝固, 研究了实验过程中一定冷却速率下合金熔体过热度与过冷度的相关规律, 获得的最大过冷度为147 K (0.18T_E). 不同过冷条件下三元共晶均由α(Al)固溶体、(Si)半导体相和θ(CuAl₂)金属间化合物三相构成. (Al+Si+θ)三元共晶中, (Si)小平面相独立生长, 非小平面相(Al)和θ相以层片方式协同生长. 在小过冷条件下, 只有(Al)固溶体作为领先相形成. 当过冷度超过约73 K时, (Si)相能够领先形核并生长为初生相. 小过冷时合金的凝固组织由初生(Al)枝晶、(Al+θ)二相共晶和(Al+Si+θ)三元共晶组成; 大过冷时则主要由初生(Si)块、(Al+θ)二相共晶和(Al+Si+θ)三元共晶组成. 随着过冷度的增大, 凝固组织中初生(Al)枝晶的体积分数减小而初生(Si)块的体积分数增大.     

Cr3+浓度对钒液流电池正极液的电化学性能影响

电解液组成对钒液流电池(vanadium redox flow batteries,VRB)的电化学性能影响较大.本文采用循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)和电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)研究了正极液中Cr3+浓度对V(Ⅴ)/V(Ⅳ)电对的电极过程的影响规律,发现Cr3+没有引发副反应,但影响反应活性、电极反应可逆性、钒离子扩散、界面膜阻抗和电极反应阻抗等电化学性能.实验结果表明,Cr3+在一定浓度范围内可以提高电极反应的可逆性和钒离子扩散,当Cr3+浓度由0增大至0.30g L-1时,V(Ⅴ)/V(Ⅳ)电极反应可逆性增强,同时扩散阻抗降低,钒离子扩散系数由参照溶液中的(5.48~6.77)×10-7增大至(6.82~8.44)×10-7cm2s-1,提高了~24%,但是当浓度大于0.30g L-1时,扩散阻抗增大,扩散系数降低,而界面、液膜和电荷转移等阻抗持续增大.因此,Cr3+在一定浓度范围内可以强化钒离子的扩散与传质过程,但是会增大液膜、界面和电荷转移等阻抗,并且浓度不超过0.10g L-1时对电极反应过程影响不大,浓度不超过0.30g L-1时对钒离子的扩散有利.