基于稳态法的铝合金-金属铸型界面换热特性实验研究

摘要

在对铸造过程的计算机数值模拟中，温度场数值模拟的精度是其它各场量进行精确模拟的前提，而温度场数值模拟所必须具备的条件很难由实验获取，这些参数包括材料的热物性参数、初始条件和边界条件等，尤其是作为边界条件之一的铸件和铸型之间的界面换热系数。它的产生是由于在凝固过程中在铸件与铸型交界面之间产生间隙，阻碍了热量的传输，其结果必然导致铸件-铸型界面两侧的温度骤降，产生热阻，铸件-铸型界面热阻的倒数定义为铸件-铸型界面换热系数，它是众多影响因素的综合反映。由于铸件-铸型的界面传热机制比较复杂，所以很多学者在研究界面换热时一直没有获得一个令铸造界满意的解决方案。特别是对存在这种微小间隙的热量传输机理认识仍然很欠缺，众说纷纭。
　　正是基于上述情况，本文采用传热学中的稳态研究方法，选择以存在小间隙界面传热问题作为实验研究切入点，专门设计一种简捷有效的实验装置来研究在小尺寸间隙中的换热，以此深入探讨工程中常用铸造合金ZL101与模具钢H13的界面传热的主要影响因素及其传热机理。本课题的主要工作集中体现在以下几个方面：
　　①系统综述了国内外铸造过程中界面换热系数的研究状况，总结归纳了在铸造传热领域的一些基本观点以及研究方法，为后续研究工作打下良好的理论基础。
　　②研究了铸件处于完全凝固状态下与铸型界面间存在间隙时的换热情况。
　　③自行设计了一套在单边加热状态下测量不同界面间隙时换热系数的实验装置，重点考察了稳态加热功率、铸件温度、界面间隙、铸件-铸型相对位置等因素对界面换热系数的影响。
　　④根据单边加热实验中铸件和铸型温度不可控制的问题，为了提高铸件和铸型温度的可控性，对单边加热实验装置作了进一步完善后得到双边加热实验装置。它同样研究了界面两侧的温度、界面间隙、铸件和铸型相对位置等对界面换热的影响。
　　⑤在双边加热状态下，研究了小间隙空间中的传热机理。
　　根据对本课题的研究，得到如下研究结论：
　　①在单边加热状态下：界面换热系数都随着稳态加热功率和铸件温度的增加而升高。铸件和铸型的相对位置对界面换热也有影响。其中，铸件在下-铸型在上时的换热系数最大，而铸件在上-铸型在下和铸件在左-铸型在右时的换热系数相比差别较小。随着界面间隙尺寸的增加，界面换热系数明显降低。
　　②在双边加热状态下：不论铸件与铸型处于何种相对位置，在界面间隙一定的条件下，界面换热系数都随着铸件温度的升高而增加；在铸件温度、铸型温度以及界面间隙一定的条件下，铸件与铸型的相对位置也会对界面换热产生一定影响。其中，铸件在下-铸型在上时的换热系数最大，铸件在上-铸型在下时的换热系数最小，铸件在左-铸型在右换热系数居中；在其它条件都相同的情况下，界面换热系数会随着界面间隙尺寸的增加而减小，其中当铸件与铸型完全接触时的换热系数最大。这些结论与单边加热实验结论基本保持一致。
　　③在双边加热状态下，当仅仅改变界面间隙时，对流换热与热传导对界面换热影响比较明显，而当仅仅改变铸件与铸型的相对位置时，对流换热会对界面换热影响比较大。进而认为需要考虑小尺寸间隙中的对流换热。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题概述

1.2 本课题的国内外研究概况

1.3 本课题研究的技术路线

1.4 本论文主要工作

2 热量传输理论与分析

2.1 引言

2.2 热量传递方式

2.3 铸件-铸型界面传热理论分析

2.4 本章小结

3 单边加热状态下铸件-铸型界面换热实验研究

3.1 引言

3.2 实验原理

3.3 实验理论分析模型的建立

3.4 实验方案设计

3.5 实验测量结果与数据分析

3.6 本章小结

4 双边加热状态下铸件-铸型界面换热实验研究

4.1 引言

4.2 实验研究内容

4.3 双边实验加热装置及其测量系统

4.4 双边加热曲线记录与分析

4.5 双边加热实验结果分析与讨论

4.6 实验误差分析

4.7 本章小结

5 总结和展望

5.1 结论

5.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附 录