电子枪功率与束宽对金属原子蒸气特性的影响

在原子法激光同位素分离工程中,电子枪加热金属铀产生的原子蒸气的密度、速度以及温度等宏观量分布特性是非常重要的参数.为了分析电子枪功率和束宽对原子蒸气密度、速度、温度、质量通量和速度分布等物理特性的影响,采用直接MonteCarlo方法用柱坐标模拟了铀原子平面蒸发动力学过程.在电子枪加热方式下,蒸发源温度场不均匀,而且温度场随电子枪功率和束宽变化.着重研究这种变化对蒸气各种物理特性的影响.模拟结果表明,电子枪功率越高,蒸气径向宏观漂移速度越大,蒸发量越大;电子束束宽越窄,蒸发量越大. 关键词： 金属蒸发 原子法激光同位素分离 直接MonteCarlo 电子枪     

冷热坩埚中电子枪加热金属熔池的数值分析

利用NavierStokes方程在一定的边界条件下求解了电子枪加热长槽形冷、热坩埚中的二维熔池流场,获得了熔池流场的速度和温度分布,并且详细地对比研究了冷、热坩埚中金属熔池的蒸发量与电子枪功率、束宽以及坩埚尺寸的关系.电子枪功率越高、束宽越小(除非小于05mm)、坩埚尺寸越大,则蒸发量越大,电子枪能量的有效利用率也越高.当电子枪束宽较大时,热坩埚的蒸发量较大,而当束宽较小时,冷坩埚的蒸发量较大.计算中对铁、铜、钆和铝等金属熔池进行了数值分析,获得了相似的结果. 关键词： NavierStokes方程 热毛细流 浮力流 金属熔池     

背景气体对金属原子二维平面蒸发过程的影响

在原子蒸气法激光分离同位素中,金属原子蒸气宏观物理性质的空间分布会直接影响到分离过程的电离率和原料利用率.本文从分离过程的实际需求出发,建立了双组分气体的Bhatnagar-Gross-Krook模型方程组,并利用数值计算方法对方程进行求解,研究了背景气体对二维平面蒸发过程中原子蒸气宏观物理性质和蒸发速率的影响.研究结果表明:随着背景气体密度的增加,远离蒸发源位置处的金属原子蒸气密度增大,速度减小,温度升高,而近蒸发源位置处原子蒸气的性质则几乎不受影响,因而蒸发速率基本上不随背景气体密度发生变化.另外,随着尾料板温度的升高和对原子蒸气吸收率的增加,金属原子蒸气宏观物理性质受背景气体的影响逐渐下降.理论计算的结果对于分离装置的真空设计和光斑分布设计有较为重要的参考意义.     

电子枪加热合金熔池的数值分析

利用数值方法求解了电子枪加热二维合金熔池的流体力学方程组，获得了熔池流场的速度、温度和浓度分布.并且详细地研究了各种特征参量（如雷诺数、普朗特数、格拉晓夫数和李斯特数）对合金熔池流动特性的影响，一般地，雷诺数和普朗特数越小、而格拉晓夫数和李斯特数越大，则熔池中溶剂金属的蒸发速率就越大.在此基础上提出参杂适当浓度的溶质金属可以提高某些难熔难挥发金属的蒸发速率，计算中对参杂了钨、钕、锡和铬等金属的钍、铂、铱和钌等合金熔池进行了数值分析，都相应提高了溶剂金属的蒸发速率. 关键词： 液态合金 毛细流 浮力流 熔池     

电子束激发原子对金属蒸发的影响

在原子蒸气激光同位素分离工程(AVLIS)中,金属受电子束的加热而熔化,并向真空蒸发,蒸气原子通过电子束的过程中,可能与电子发生非弹性碰撞,被激发到高能级.在膨胀的过程中,高能级的原子通过与原子的非弹性碰撞消激发,将原子内的电子能量转换为蒸气的平动能.为了分析电子束与原子作用对蒸气的密度、速度和温度等物理特性的影响,采样直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)模拟钆原子蒸发过程.模拟结果表明,电子束与原子的作用使得原子蒸气的速度增加,密度减小,温度升高 关键词： 金属蒸发 AVLIS DSMC 电子枪     

考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

人工影响降水的物理原理

我国旱涝灾害频繁,每年经济损失巨大,年年又防汛又抗旱,因此人工影响降水意义重大,本文结合物理教学,阐述人工影响降水的物理原理． 一、云的形成 云是漂浮在空中的小水滴、冰晶或者它们的混合物．由于大气压强随高度增加而降低,因此当地面暖湿空气上升时会发生绝热膨胀而冷却．又由于液体饱和蒸气压随温度的降低而降低,某温度下空气相对湿度等于空气中实际水蒸气分压强与该温度下饱和蒸气压的百分比,因此暖湿空气上升、绝热膨胀而冷却后相对湿度增加．另外,饱和蒸气压的大小还与液面形状有关,凸液面上方饱和蒸气压比平液面时大,…     

饱和蒸气密度、焓和蒸发潜热的通用对比态推算式

本文提出了新的饱和蒸气密度的通用对比态推算式,并分别以标准沸点下的蒸发潜热和临界温度与标准沸点温度之差为基准,对蒸发潜热和温度无量纲化导出了工质蒸发潜热通用对比态方程,结合饱和液体焓通用对比态方程导出了饱和蒸气焓通用对比态方程,揭示出饱和蒸气焓通用对比态方程为双变量函数,除有温度变量外还包含有表示物质差异的变量。对多种物质的文献值计算比较,以上方程的总的平均绝对偏差分别为0.43％、0.87％和O.35％。     

Direct simulation Monte Carlo study of metal evaporation with collimator in e-beam physical vapor deposition

The flow properties and substrate deposition rate profile, which are the important parameters in electron beam physical vapor deposition, are investigated computationally in this article.Collimators are used to achieve the desired vapor beam and deposition rate profile in some applications.This increases the difficulty measuring boundary conditions and the size of the liquid metal pool inside the collimators.It is accordingly hard to obtain accurate results from numerical calculations.In this article, two-dimensional direct simulation Monte Carlo(DSMC) codes are executed to quantify the influence of uncertainties of boundary conditions and pool sizes.Then, three-dimensional DSMC simulations are established to simulate cerium and neodymium evaporation with the collimator.Experimental and computational results of substrate deposition rate profile are in excellent agreement at various evaporation rates and substrate heights.The results show that the DSMC method can assist in metal evaporation with a collimator.     

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发;表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明,随着毛细管半径的减小、传热功率的增大,蒸发界面区的长度会有所减小,这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。     

蒸汽爆炸粗混合过程中的蒸发阻力模型

在蒸汽爆炸的粗混合过程中,由于液体的快速蒸发,高温金属液滴的周围会产生一层很薄的蒸汽膜,此时液滴周围的边界层流动与没有液体蒸发时有很大的不同,因此,常温情况下的小球在连续液体中运动时的通用阻力模型在这种情况下是不适用的．本文通过受力分析,考虑了高温小球受力的分布和表面蒸发对小球周围力的影响,从阻力的基本机理上分析了蒸发状态下小球的运动阻力,分别提出了高温颗粒穿过自由表面时与其在液体中运动时的蒸发阻力模型．分析表明,当小球温度高于2500 K,特别是在靠近自由表面的区域,由于小球表面液体蒸发而产生的蒸发阻力作用非常明显．分析指出,小球的入水初速、小球表面的液体蒸发速率以及汽膜厚度都是影响小球运动阻力大小的重要因素．     

Numerical modelling of methanol liquid pool fires

The focus of this paper is on numerical modelling of methanol liquid pool fires. A mathematical model is first developed to describe the evaporation and burning of a two-dimensional or axisymmetric pool containing pure liquid methanol. Then, the complete set of unsteady, compressible Navier-Stokes equations for reactive flows are solved in the gas phase to describe the convection of the fuel gases away from the pool surface, diffusion of the gases into the surrounding air and the oxidation of the fuel into product species. Heat transfer into the liquid pool and the metal container through conduction, convection and radiation are modelled by solving a modified form of the energy equation. Clausius–Clapeyron relationships are invoked to model the evaporation rate of a two-dimensional pool of pure liquid methanol. The governing equations along with appropriate boundary and interface conditions are solved using the flux-corrected transport algorithm. Numerical results exhibit a flame structure that compares well with experimental observations. Temperature profiles and burning rates were found to compare favourably with experimental data from single- and three-compartment laboratory burners. The model predicts a puffing frequency of approximately 12 Hz for a 1 cm diameter methanol pool in the absence of any air co-flow. It is also observed that increasing the air co-flow velocity helps in stabilizing the diffusion flame, by pushing the vortical structures away from the flame region.     

短脉冲激光作用下丙酮液池沸腾现象的瞬态观测

本文对短脉冲激光作用下试件表面的温度变化和丙酮液体汽泡行为进行了瞬态观测,研 究了激光参数和细小金属颗粒等因素对丙酮液体沸腾行为的影响。结果表明：激光参数中,脉宽是 影响温度曲线和汽泡行为的主要因素,随着激光脉宽增大,大汽泡的长大时间和脱离直径减小;汽 泡长大速度与常规沸腾时的完全不同,没有出现等温生长阶段,在激光脉冲后很长时间内汽泡长大 速度快速增大;试件表面覆盖细小金属颗粒后,沸腾过程变得非常剧烈。