Fe-Pb合金凝固多相体系内偏析形成过程的三维数值模拟

基于Eulerian-Eulerian方法和流体体积技术,建立了三维多相流体动力学凝固模型,并将其与质量、动量、溶质和热焓守恒方程相耦合,对Fe-Pb合金侧向凝固过程进行了数值模拟.首先,分析了分布面积二次梯度((SPb))和浓度二次梯度((CPb))对偏析模式的影响,结果表明:液、气两相的流动相变使偏析模式表现为上端X形下端V形,X偏析由气相相变驱动力和多取向相变作用下的"散射"形成;ttc时,随(SPb)和(CPb)曲线降低,X偏析的下偏析角增大,上偏析角和V偏析角减小,Pb收得率增大,有利于获得含量稳定弥散的凝固组织.此外,还研究了液、气两相交互流动下通道偏析的形成机理,结果表明:通道偏析仅存在于流动-相变交互作用(ul·cl和ug·cg)为负值的区域,该区域的流动扰动抑制合金的局部凝固,促进偏析通道生长;流动-相变交互作用负值越小,偏析通道持续增长越稳定.模拟结果与实验结果相符合,验证了模型的准确性.     

二元合金微观偏析的相场法数值模拟

使用耦合溶质场的相场模拟研究了Ni-Cu二元合金枝晶生长过程中固相溶质扩散系数D_s 对枝晶形貌和微观偏析等的影响.计算结果表明，随着D_s的减少，固液界 面前沿溶质扩散层越薄，枝晶生长越有利，枝晶尖端生长的速度越大，侧向分支越发达；D< sub>s越小，固相中溶质成分的波动越强烈，随着D_s的增大，固相中溶质 成分的波动相应减小；溶质微观偏析程度随D_s的增大而减小. 关键词： 相场方法 微观偏析 固相扩散系数 数值模拟     

界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究

利用多相场模型模拟了液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程, 分析了界面润湿性及固相体积分数对粗化指数、粗化速率及颗粒尺寸分布的影响.结果表明, 不同固相体积分数下粗化指数基本不变, 但粗化速率常数及尺寸分布与固相体积分数及界面润湿性密切相关.在完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数逐渐增大; 而非完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数增大速度变缓, 且当润湿性较低、 固相分数较大时, 粗化速率常数还将随体积分数的增加而下降. 此外, 模拟结果表明各种润湿条件下颗粒的尺寸分布均随着固相分数增加而变宽, 分布峰值降低, 但非完全润湿条件下峰值下降变缓.模拟结果为理解不同实验观测结果之间的分歧提供了依据. 关键词： 粗化 相转变 相场法 润湿性     

微观偏析对凝固传热传质数值模拟的影响

总结比较了多种微观偏析模型,并针对反向凝固工艺实验研究的传热传质现象进行了数值模拟。讨论分析了溶 质的重新分布对宏观凝固传输过程数值模拟的影响,并与实验数据进行了比较,认为微尺度固液相界面上的溶质再分配对 新生相生长的影响不可忽略。     

颗粒数方程的求解及流化床数值模拟

流化床内颗粒聚并和破碎将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉一欧拉气固多相流模型,利用直接矩积分方法求解颗粒数平衡方程,建立颗粒数密度与连续性方程、动量方程之间的关系,数值模拟流化床内两种不同直径颗粒发生聚并时气固两相流动特性。计算结果表明,颗粒聚并伴随着床内颗粒直径逐渐增大,床内颗粒流化状态逐渐变为固定床状态,两种颗粒直径均增加,且小颗粒的体积分数逐渐减小、大颗粒的体积分数增加。当仅考虑聚并过程时增加流化速度将导致床内颗粒体积平均直径变大。随着颗粒密度减小,床内体积平均直径增加。     

直接模拟中不同边界条件的实施及对沉降规律的影响

在牛顿流体中, 对颗粒在4种不同边界的垂直通道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 计算结果表明:通过计算区域随颗粒运动而移动构建的无限长通道能准确模拟颗粒自由下落到稳定沉降的发展过程; 周期性边界条件由于流场变化, 对颗粒沉降产生了影响, 不能模拟颗粒的自由沉降过程; 底部封闭边界适合模拟封闭容器内颗粒与固壁的相互作用过程, 若颗粒达到稳定沉降, 也能模拟无限长通道内的沉降过程; 流化边界适合模拟流化床内气固两相流动. 计算结果有助于更好地理解和使用不同边界条件. 关键词： 直接数值模拟 边界条件 沉降 任意拉格朗日-欧拉方法     

基于体积平均法模拟铸锭凝固过程的可靠性分析

采用欧拉方法和体积平均思想,建立了以液相为主相、等轴晶和柱状晶视为两类不同第二相的三相模型,耦合凝固过程质量、动量、能量、溶质的守恒方程和晶粒的传输方程.以Al-4.7 wt.%Cu二元合金铸锭为例,模拟了合金铸锭二维的流场、温度场、溶质场、柱状晶向等轴晶转变过程以及等轴晶的沉积过程,并将模拟的铸锭组织和偏析结果与实验所得结果对比.温度场、流场和组织的模拟结果与理论基本一致,但由于模型没有考虑收缩以及浇注时的强迫对流,导致铸锭外层的偏析模拟值比实测值低,内层的模拟值比实测值高.所以收缩和逆偏析在模拟中是不可忽略的,这也是本文模型的改进方向.另外在所得模拟结果的基础上分析了体积平均法计算铸锭凝固过程的优点和不足之处.     

热对流条件下固液密度比对颗粒沉降运动影响的直接数值模拟

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法对固液两相流流场中考虑热对流的非等温颗粒在竖直通道中的沉降运动进行了数值模拟.在牛顿流体中通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,使用有限元方法数值求解流场的N-S方程和能量方程,模型不需经验假设.通过模拟来研究颗粒沉降的运动规律和热对流下固液密度比对固液两相流的影响作用.结果表明随着固液密度比的增加,颗粒经历了稳定沉降、周期性摆动,不规则摆动等过程;热对流使颗粒的摆动幅度和沉降速度发生变化;热对流对颗粒的影响作用随着固液密度比的增加而减小.     

矩形微通道内两相流流阻压降特性的可视化研究

以去离子水和质量分数为0.3%的水基纳米流体为工质,在当量直径为1.241mm的矩形微通道内进行了两相流流动沸腾的实验研究,并借助高速摄像仪对矩形微通道内流型随着质量流量及热流密度的变化进行了观察分析。实验结果表明:单位长度上的两相摩擦压降会随着质量流速的提升而提高;单位长度上的两相摩擦压降会随着热流密度的增大而升高;减小质量流速和提高其热流密度均会加快气泡的产生并提高气泡的脱离直径,当热流密度增大到一定程度时,通道内几乎为环状流与液态单相流交替出现,且环状流占周期中的较长时间。     

微晶硅薄膜带隙态及微结构的研究

研究了氢化微晶硅薄膜费米能级以上的带隙态密度分布与薄膜微结构关系.采用拉曼谱和红外谱表征不同H稀释比制备的微晶硅薄膜的微结构.薄膜带隙态密度分布由调制光电流的相移分析技术测得.采用三相模型（非晶相、晶相和界面相）分析了薄膜带隙态密度与薄膜微结构的关系.结果表明,材料的带隙态密度随着界面相的增加而增加,当界面体积分数达到最大时,薄膜的带隙态密度也最大,即材料的带隙态密度与界面体积分数正相关. 关键词： 带隙态 界面相 微晶硅 调制光电流     

Electronic structural properties and formation energy of Sn1−xPbxO2 solid solutions electrode

First-principles calculations based on density functional theory within the generalized gradient approximation have been performed for the Sn_1−xPb_xO₂ solid solution. The doped formation energies and electronic structures are also analyzed. Results show that the Sn_0.9375Pb_0.0625O₂ solid solution has the highest stability because of its minimum formation energy value of 0.04589 eV at a doping ratio of 0.0625. The SnO₂ lattice constants expand in a distorted rutile structure after Pb doping. The band structure and density of states calculations indicate that the band gap of SnO₂ narrowed due to the presence of the Pb impurity energy levels in the forbidden band, namely, Pb 6s energy band overlaps with the conductivity band in the F–Q direction. In addition, the number of electrons filled at the bottom of the conduction band increases from 0.13 to 3.96 after doping, resulting in the strengthening of the conductivity of the solid solution after doping of plumbum. The results provide a theoretical basis for the development and application of the Sn_1−xPb_xO₂ solid solution electrode.     

基于微束X射线荧光的铸轧7B05铝合金元素偏析研究

材料内部微观尺度上成分、组织结构控制精度低、波动大是制约高铁铝合金国产化进程的重要原因,因此从微观尺度上研究大尺寸铝合金成分均匀性至关重要.鉴于目前研究铝合金偏析的区域通常较小且不连续,定量统计方法过于简单.使用微区分辨率较高的微束X荧光与原位定量统计分布分析技术相结合的方法,从点、线、面、频度分布等方面对成分分布数据...     

Mg掺杂CdSe电子结构和光学性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,计算了纤锌矿结构Cd1-xMgxSe(x=0,0.125,0.250,0.375)的电子结构和光学性质。结果表明,不同系统的价带顶都主要由Se4p态决定,其位置基本不变;导带底由Se4 s态和Cd5 s共同决定,并且随着掺杂浓度的增加向高能区移动,结果使得带隙展宽,由此使得系统介电函数虚部的峰值和折射率实部的峰值随掺杂浓度的增大而蓝移,计算结果与实验符合。     

功率超声对Al-Si合金凝固过程中溶质偏析的抑制效应

研究了功率超声作用下，直径为10 mm Al-1%Si合金键合线水平连铸坯的微观组织形貌以及溶质元素在基体中的分布情况.实验结果表明：在功率超声作用下，铸坯的凝固组织得到了细化，Si元素在α(Al)基体中的固溶度及其分布的均匀性得到了提高，溶质偏析得到了抑制.从功率超声对Al-1%Si合金凝固过程中的溶质扩散，结晶温度间隔，液穴形态，温度场和流动场以及合金微观组织形貌的影响出发，尝试性地对功率超声抑制溶质元素微观偏析的机理进行探讨性的解释和说明. 关键词： 功率超声 水平连铸 Al-1%Si合金 溶质偏析     

First-principle study of electronic structure and stability of Sn0.5Sb0.5O2

A theoretical study on Sb-doped SnO₂ has been carried out by means of periodic density functional theory (DFT) at generalized gradient approximation (GGA) level. Stability and conductivity analyses were performed based on the formation energy and electronic structures. The results show that Sn_0.5Sb_0.5O₂ solid solution is stable because the formation energy of Sn_0.5Sb_0.5O₂ is −0.06 eV. The calculated energy band structure and density of states showed that the band gap of SnO₂ narrowed due to the presence of the Sb impurity energy levels in the bottom of the conduction band, namely there is Sb 5s distribution of electronic states from the Fermi level to the bottom of conduction band after the doping of antimony. The studies provide a theoretical basis to the development and application of Sn_1−xSb_xO₂ solid solution electrode.     

Granular phase transition as a precondition for segregation

Experimental results are presented on the segregation of a mixture of spheres with two different sizes, rolling on a circularly vibrating table. Beyond a critical density of particles a demixing occurs leading to a clustering of the larger ones. A monodisperse layer of spheres shows a liquid-solid-like phase transition at a slightly lower critical density. These critical particle densities are both found to be independent of the driving frequency, but decrease with increasing vibration amplitude.     

液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn合金组织演变

研究了在液氮冷却条件下激光快速熔凝Ni-28 wt%Sn亚共晶合金的组织演化过程. 结果显示, 熔池从上至下可以分为三个区域: 表层为平行激光扫描方向的α-Ni转向枝晶区; 中部为近乎垂直于熔池底部外延生长的α-Ni柱状晶区; 底部为少量的残留α-Ni初生相和大量的枝晶间(α-Ni+Ni₃Sn) 共晶组织. 激光熔凝区组织受原始基材组织的影响很大, 熔池中的α-Ni枝晶生长方向受到了热流方向和枝晶择优取向的双重影响. 与基材中存在的层片状、棒状和少量离异(α-Ni+Ni₃Sn)共晶的混合组织相比, 熔池内的共晶组织皆为细小的规则(α-Ni+Ni₃Sn)层片状共晶, 皆垂直于熔池底部外延生长, 并且从熔池顶部至底部, 共晶层片间距逐渐增大. 分别应用描述快速枝晶生长的Kurz-Giovanola-Trivedi 模型和描述快速共晶生长的Trivedi-Magnin-Kurz模型对熔池表层凝固界面前沿的过冷度进行估算, 发现熔池表层α-Ni 枝晶和(α-Ni+Ni₃Sn)层片共晶的生长过冷度在50.4-112.5 K 之间, 远大于相应深过冷凝固(α-Ni+Ni₃Sn) 反常共晶生长的临界过冷度20 K, 这说明文献报道的临界过冷度并不是反常共晶出现的充分条件.     

Phase transitions in shear-induced segregation of granular materials

We computationally study shear-induced segregation of different-sized particles in vertical chute flow. We find that, for low solid fractions, large particles segregate toward regions of low shear rates where the granular temperature (velocity variance) is low. As the solid fraction increases, this trend reverses, and large particles segregate toward regions of high shear rates and temperatures. We find that this is a global phenomenon: local segregation trends reverse at high system solid fractions even where local solid fractions are small. The reversal corresponds to the growth of a single enduring cluster of 30%-60% of the particles that we propose changes the segregation dynamics.     

First-principles study on the structural and electronic properties of ultrathin ZnO nanofilms

Using first-principles density-functional calculations, we have studied the structural and electronic properties of ultrathin ZnO {0001} nanofilms. The structural parameters, the charge densities, band structures and density of states have been investigated. The results show that there are remarkable charge transfers from Zn to O atoms in the ZnO nanofilms. All the ZnO nanofilms exhibit direct wide band gaps compared with bulk counterpart, and the gap decreases with increased thickness of the nanofilms. The decreased band gap is associated with the weaker ionic bonding within layers and the less localization of electrons in thicker films. A staircase-like density of states occurs at the bottom of conduction band, indicating the two-dimensional quantum effects in ZnO nanofilms.     

基于超材料的吸波体设计及其波导缝隙天线应用

设计了一种基于超材料电磁特性的吸波体, 并将其应用于波导缝隙天线. 该吸波体是由两层金属及其中间的有耗介质组成, 上层金属是由刻蚀交叉缝隙的贴片形成的电谐振器, 下层金属不刻蚀, 作为整个金属地板. 通过优化结构参数, 得到了一种极化不敏感、宽入射角的超薄吸波体, 吸波率达到99.1%, 厚度只有约0.01λ. 将该吸波体应用与波导缝隙天线, 在5.48-5.7 GHz工作频段内, 天线雷达散射截面减缩都在3 dB以上, 在鼻锥方向的-25°-+25°范围的角度上, 天线雷达散射截面减缩均在5 dB以上, 雷达散射截面减缩最大超过12 dB, 而天线前向增益仅降低了0.53 dB. 实验结果与仿真结果符合得较好, 证实了该吸波体具有好的天线雷达散射截面减缩效果, 可以应用于天线目标的隐身.