液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律

采用落管方法实现了液态三元Fe-Cr-Ni合金的深过冷与快速凝固,合金液滴的冷却速率和过冷度均随液滴直径的减小而迅速增大.两种成分合金近平衡凝固组织均为粗大板条状α相.在快速凝固过程中,不同直径Fe_(81.4)Cr_(13.9)Ni_(4.7)合金液滴凝固组织均为板条状α相,其固态相变特征很明显,随着过冷度增大,初生δ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶.Fe_(81.4)Cr_(4.7)Ni_(13.9)合金液滴凝固组织由α相晶粒组成,随着过冷度增大,初生γ相由具有发达主干的粗大枝晶转变为等轴晶,其枝晶主干长度和二次分枝间距均显著下降,晶粒内溶质的相对偏析度也明显减小,溶质Ni的相对偏析度始终大于溶质Cr.理论计算表明,与γ相相比,δ相枝晶生长速度更大.在实验获得的过冷度范围内,两种Fe-Cr-Ni合金枝晶生长过程均由热扩散控制.     

两相流中非平衡相变与平衡相变比定压热容差异的研究

本文以空气-水蒸气-水组成的两相流混合物为例,应用两相流及热物理理论,推导了有相变的两相流系统非平衡过程的比定压热容计算式,并对实际的空气-水蒸气-水两相流动的换热过程进行了数值模拟.计算结果揭示了比定压热容的变化明显受到水颗粒相变过程的影响,颗粒的半径越小,比定压热容变化越大.同时,平衡相变过程比定压热容计算的流体温度要高于非平衡相变过程,两者的差异随着颗粒蒸发过程的进行而逐渐增大,且靠近轴线的差异要比靠近壁面处的差异大,颗粒半径越小,两者的差异越小.     

过冷Ni-P合金的凝固行为

以揭示共晶系合金在不同过冷度下凝固时初生相的选择规律和凝固组织形成机理为目的, 用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法, 将Ni_100-xP_x(x=18, 19, 19.6, 20, 21, 原子百分比)合金过冷至平衡液相线以下不同的温度, 用高速红外测温仪记录了试样的凝固冷却曲线, 详尽分析了试样的凝固组织.结果表明, 过冷Ni-P合金快速凝固过程中析出的初生相为α-Ni/Ni₃P耦合共晶时, 整个凝固过程中仅出现一次再辉, 在所形成的异常共晶组织中α-Ni颗粒大小分布均匀;而当某一共晶相优先析出时, 另外一相需要在残留液相中重新形核, 致使凝固过程中出现两次再辉, 相应形成颗粒相大小截然不同的两类异常共晶组织;据此绘制了Ni-P合金初生相为共生共晶的区域. Ni-P合金中α-Ni的生长动力学明显快于Ni₃P, 使得在大过冷度下过共晶合金也以α-Ni作为初生相进行凝固.     

液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长

采用电磁悬浮和自由落体两种试验技术研究了液态Ti-25 wt.%Al合金的亚稳过冷能力、晶体形核机制和枝晶生长过程. 试验发现, 即使电磁悬浮无容器状态下仍难以消除润湿角θ ≥60°的异质晶核, 合金熔体过冷度可达210 K (0.11T_L). β-Ti相形核的热力学驱动力随过冷度近似以线性方式增大, 其枝晶生长速度高达11.2 m/s, 从而在慢速冷却条件下实现了快速凝固. 理论计算表明, 随着过冷度的逐步增大, β相枝晶生长从溶质扩散控制转变为热扩散控制. 当过冷度超过100 K时, 非平衡溶质截留效应可使合金熔体发生无偏析凝固. 然而, 单靠深过冷状态不足以抑制β相的后续固态相变. 对于落管中快速凝固的直径77-1048 μm合金液滴, 其冷却速率最高达1.05×10⁵ K/s, 深过冷与快速冷却的耦合作用能更有效地调控凝固组织形成过程.     

单柱微通道流动沸腾换热数值模拟研究

高功率电子芯片的安全运行需要高效的散热技术。流动沸腾换热由于高换热系数受到广泛关注。为精确模拟微通道内流动沸腾复杂两相流过程,本文提出了耦合VOF方法的在相界面处迭代求解能量源项的相变模型。针对单微柱微通道内流动沸腾换热过程进行了数值模拟,分析了瞬态两相流过程及温度场演变规律,查明了热流密度及进口过冷度的影响机制。结果表明,由于局部蒸汽的覆盖,不同工况下微通道内流动沸腾存在热阻的转折点,高热流密度对应更高的气泡生长速度和成核面积,高过冷度会延缓转折点,但整体热阻将升高。     

PMMA低温表面液滴凝结过程的实验研究

为了解不同温度下有机玻璃(PMMA)表面蒸汽凝结相变、液滴生长以及传热的过程,对有机玻璃表面的液滴冷凝过程进行了可视化实验观测,将液滴的凝结形态、面积率、接触角及尺寸变化等参数进行了分析并绘制出变化曲线,发现蒸汽在有机玻璃表面凝结时可形成颗粒分明的珠状液滴,凝结时间越长液滴直径越大;底板温度越低,面积率越大,接触角越大。控制以上变量可以有效改善蒸汽凝结效果,有利于提高热量传递效率,为液滴相变(汽-液)特性和换热表面结霜除霜技术提供理论支持。     

多孔结构内流动沸腾流型分类及转变研究

以球形燃料核反应堆为工程应用背景,分别对直径4 mm、6 mm、8 mm颗粒堆积的多孔结构进行了流动沸腾可视化试验,在实验参数范围内得到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流、弹状-环状流四种流型.获得了热流密度、流速、颗粒直径等对流型的影响规律.增加热流密度,汽泡数量增加,体积变大,变形、合并、分裂频繁;流速越高、颗粒越小,汽泡体积越小、数量越少.流速越高、球径越小发生相同流型所需要的热流密度越大.对Tung/Dhir模型进行修正得到了多孔结构内流动沸腾两相流流型图及各流型间的转变含气率.     

粒化仓中高温渣粒流动换热特性的数值模拟

针对离心粒化后的高温熔渣颗粒在粒化仓中的流动换热过程,本文采用离散相模型及DO辐射模型对粒化仓内的气固两相流动和换热进行了二维瞬态数值模拟。主要研究了不同渣粒流量、渣粒直径及风速下粒化仓内温度分布规律和气固换热效果。结果表明:粒化仓中空气温度沿径向方向逐渐升高,颗粒与壁面碰撞区域为空气温度最大区域;颗粒的换热主要以辐射换热为主;减小颗粒直径是强化换热最有效的手段。     

颗粒线度和非谐效应对传感器电极材料导电性能及其热稳定性的影响

本文考虑到原子的非简谐振动,应用固体物理理论和方法,研究了氧传感器多孔电极材料导电性能及热稳定性随温度和颗粒线度的变化规律,探讨原子非简谐振动和材料颗粒线度的影响.结果表明:(1)多孔Pt电极材料的电导率随温度的升高而非线性减小;电导率随颗粒半径的增大而非线性增大;电导率随时间增长而减小,但变化极小;(2)多孔Pt电极材料的电导率远小于Pt纳米材料的电导率,也小于块状Pt电极材料的电导率,且颗粒越小,颗粒线度效应越显著;(3)电导率的温度稳定性系数随温度的升高和颗粒线度的减小以及表面层参数的增大而非线性减小,即温度越高、颗粒线度越小、表面层参数越大,电极材料导电性的热稳定性越好;(4)表面层的存在使电导率降低,且降低情况与温度和颗粒线度有关,即颗粒越小,温度越低,电导率下降越明显;非简谐效应对电极材料的电导率几乎没有影响.     

细圆管内纳米悬浮液对流换热的实验研究

实验研究了细圆管内氧化铜纳米颗粒悬浮换热特性。试验段的管径为0.68mm、1.01mm和1.28mm,氧化钢纳米颗粒平均粒径为50um,悬浮液中氧化铜纳米颗粒质量分数分别为0.02,0.04和0.06,分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)质量的分数为0.02。为进行对比分析,还测试了水的换热特性。实验结果表明,在所研究的尺寸下,层流时去离子水的努谢尔特数Nu要高于已有液体对流换热关联式计算之值,纳米颗粒悬浮液的对流换热系数高于水的,且纳米颗粒的质量分数越高,悬浮液的对流换热系数越大。随着流动从层流向湍流的转换,强化效果也越明显。     

深过冷Ag-Cu-Ge三元共晶合金的相组成与凝固特征

在Ag_38.5Cu_33.4Ge_28.1三元共晶合金的深过冷实验中，获得的最大过冷度为175 K(0.22T_E). XRD分析表明，不同过冷条件下其共晶组织均由(Ag),(Ge)和η(Cu₃Ge)三相组成. 在小过冷条件下，三个共晶相协同生长，凝固组织粗大.随着过冷度的增大，共晶组织明显细化，(Ge)相与其他两相分离，以初生相方式生长，而(Ag)相与η相始终呈二相层片共晶方式共生生长. 当过冷度超过80 K时，初生相(Ge)由小过冷时的块状转变为具有小面相特征的枝晶方式生长. 部分小面相(Ge)枝晶出现规则的花状，花瓣数介于5—8之间，并且过冷度越大(Ge)相越容易分瓣. 花状(Ge)枝晶的晶体表面为{111}晶面簇，择优生长方向为〈100〉晶向族. 关键词： 三元共晶 晶体形核 深过冷 快速凝固     

深过冷液态Al-Ni合金中枝晶与共晶生长机理

在自由落体条件下实现了液态Al-4 wt.%Ni亚共晶、Al-5.69 wt.%Ni共晶和Al-8 wt.%Ni过共晶合金的深过冷与快速凝固. 计算表明, (Al+Al₃Ni)规则纤维状共晶的共生区是4.8–15 wt.%Ni成分范围内不闭合区域, 且强烈偏向Al₃Ni相一侧. 实验发现, 随液滴直径的减小, 合金熔体冷却速率和过冷度增大, (Al)和Al₃Ni相枝晶与其共晶的竞争生长引发了Al-Ni 共晶型合金微观组织演化. 在快速凝固过程中, Al-4 wt.%Ni亚共晶合金发生完全溶质截留效应, 从而形成亚稳单相固溶体. 当过冷度超过58K时, Al-5.69 wt.%Ni 共晶合金呈现从纤维状共晶向初生(Al) 枝晶为主的亚共晶组织演变. 若过冷度连续增大, Al-8 wt.%Ni过共晶合金可以形成全部纤维状共晶组织, 并且最终演变为粒状共晶.     

入口节流微通道换热器内相变传热特性

设计加工一种带有入口节流结构的铜基微通道换热器,理论分析其传热模型、实验测量微通道换热器内相变换热的传热特性和压力特性。结果表明:换热器内部的热传递过程为其主要换热模式;换热器表面温度随加热热流密度的增大而增大;微通道入口流速对表面温度影响较小;入口工质过冷度线性影响换热器的表面温度。热流密度在不同阶段对换热系数有不同影响,热流密度为360 W/cm~2时,换热器换热系数出现最大值;换热器压降随热流密度和系统流速的增加而增大。     

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热

喷雾冷却中液滴冲击壁面的流动和换热强弱可用铺展系数和冷却效能的大小来反映.本文利用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对初始直径在50～150 μm,初始速度在1.0～10.0 m/s之间的单个液滴冲击恒温发热表面的情况进行了数值模拟.模拟结果表明,增加液滴的初始速度和直径会扩大液滴的铺展范围,即铺展系数增大;液滴的初始直径越小、速度越大,则其冷却效能越大,即冷却能力越强.定量结果对喷雾系统的设计具有重要意义.     

超薄泡沫铜对流动沸腾的强化换热特性

由于传热系数高、温度均匀性好及工质需求量少,微通道沸腾冷却成为极具前景的冷却方式。本文主要以烧结超薄泡沫铜为研究对象,以去离子水为工质,探讨孔隙率、入口温度和质量流率对沸腾换热特性进行研究。实验表明,增加流量和降低入口过冷度都可提升泡沫铜的换热性能。超薄泡沫铜孔隙率越高,其换热性能越好,高孔隙率泡沫铜换热性能比较优越,超薄泡沫铜两相换热系数提升约30%。     

大功率LED散热器自然对流方向效应实验

为了研究采用微槽群复合相变换热技术的大功率太阳花散热器多角度投光的方向效应及综合散热性能,实验研究了散热器高度、功率以及采用微槽群复合相变换热技术后的过余温度、平均对流换热系数随出光倾角的变化规律,并获得了出光倾角的Ra与Nu关联式。研究结果表明:出光倾角小于90°时,微槽群散热器热源过余温度大幅低于型材散热器,在高度为90 mm,出光倾角为30°,输入功率为80,100,120,200 W时热源温度分别降低了11.6,13.3,18.9,26.7 K,呈现出功率越大降幅越大的趋势;出光倾角大于90°时,微槽群散热器热源过余温度略高于型材散热器,原因是微槽群散热器内部的真空环境影响散热器的均温性;输入功率越高,方向效应越明显;散热器高度越低,平均对流换热系数越大,对比高度60 mm与高度90 mm,在出光倾角为0°时,功率为80,100,120 W时分别提高了27.5%、23.8%和24.2%。因此,设计LED灯具散热器时应综合考虑散热器的方向效应。     

熔渣颗粒碰壁的相变沉积热过程模拟

离心粒化方法在高温熔渣余热回收方面具有结构紧凑、能耗低、得到的渣粒粒径小等优势。但受到粒化仓空间限制,会出现高温熔融渣粒碰撞、黏附在壁面的现象,影响装置运行的稳定性。本文针对该问题建立了熔融渣粒碰撞壁面的三维对称模型,结合VOF(流体体积)方法和凝固/融化模型来模拟熔渣动态形变和凝固换热过程。模拟得到,两个同粒径熔融渣粒在壁面上相继沉积会出现碰撞、铺展、回缩、飞溅、稳定的动态行为。进一步,讨论了熔渣初始温度和冷却风速对其形变和凝固换热的影响。结果表明,熔渣初始温度越小,铺展因数越小,凝固所需时间延长。而冷却风速(1~3 m/s)对熔渣碰壁过程中的铺展形变和换热的影响都很微小。     

相变微胶囊单体熔化传热过程研究

本文以石蜡为壳芯、脲醛树脂为囊壁的单个相变微胶囊颗粒为研究对象,运用显热容法对该相变胶囊熔化传热过程进行了数值模拟研究,得到胶囊内部结构等因素对胶囊相变换热过程及相界面移动的影响规律。结果表明增大斯蒂芬数和相变温度半径以及减小胶囊粒径均可使相变材料熔化速率提高;囊壁厚度及囊壁导热系数的变化会对相变过程带来一定的影响,但存在一界限值;相变材料的相变潜热大小对相变过程有着显著影响。     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

液态五元Ni-Zr-Ti-Al-Cu合金快速凝固过程的高速摄影研究

采用电磁悬浮和自由落体两种无容器熔凝技术,并借助高速摄影实时分析方法,研究了液态五元Ni_(40)Zr_(28.5)Ti_(16.5)Al_(10)Cu_5合金的深过冷能力和快速凝固机制.在电磁悬浮条件下,液态合金的过冷度可达290 K(0.21T_L).当深过冷熔体快速凝固时,高速摄影观察发现悬浮液滴表面呈现点状和环状两种区域形核方式.合金的快速凝固组织由初生Ni_3Ti相、次生Ni_(10)Zr_7相和(Ni_(10)Zr_7+Ni_(21)Zr_8)共晶组成.初生Ni3Ti相以枝晶方式生长,枝晶生长速度随熔体过冷度的增大以幂函数关系单调递增,最高可达12 mm/s,同时其体积分数逐渐减小至13.4%,并发生显著组织细化.在自由落体条件下,尽管合金液滴凝固组织的相组成并未发生变化,但随着过冷度的增大,初生Ni_3Ti相的生长被抑制,凝固组织由晶态向非晶态转变,且非晶相的体积分数线性增大.当直径小于275μm时,合金液滴实现了完全非晶态凝固.