电磁场作用下定向凝固过程流动、传热、传质的耦合数值模拟

摘要

电磁场理论应用于定向凝固技术是材料制备的新方法，可以根据实际需要调整外加电磁场的大小，来控制所需的凝固组织。实验研究此过程的传输现象很困难，采用数值模拟方法分析电磁场作用下定向凝固过程的流动、传热和传质与影响因素具有理论和实际意义。 本文在研究电磁场的分布规律和普通定向凝固过程传输现象的基础上，基于描述合金凝固过程中动量、能量、溶质等传输过程的连续模型，建立了描述电磁场作用下多元合金凝固过程传输行为的数学模型，依据伪二元思想，模型给出了液相线温度与固相分数及液相多元溶质浓度的耦合关系式，开发了相应的模拟程序，研究了电磁参数和工艺参数对Ni-5.8﹪Al-15.2﹪Ta镍基高温合金定向凝固过程的物理场影响规律和机制。 首先，利用Maxwell-3D和ePhysics软件分别对电磁场和感应热进行计算。随着电流频率的增加，样件上磁感应强度、感应涡流和电磁力都减小，但不成正比变化；随着电流强度的增强，样件上磁感应强度和涡流都增大，基本呈现正比变化趋势，电磁力也明显增大；同时在计算条件不变情况下，稳定后石墨套表面温度恒定不变。 其次，研究了普通定向凝固过程，得到凝固界面前沿附近热-溶质双扩散对流引起的密度倒置，是诱发普通定向凝固通道偏析的主要原因；富集溶质从糊状区流向液相区，通道周围局部流动可以通过糊状区从液相区补充通道中的流动；样件中心通道流不能稳定存在，而两侧的通道流形成于整个凝固过程。 最后，利用自编程序耦合计算电磁场作用下定向凝固过程。结果表明：随着电流频率的减小，液相流动增大，最终宏观偏析有所减弱；电流强度的改变对凝固过程温度场影响明显，较大的电流强度，造成的热影响区较大，界面温度梯度增加，流动增强，样件的宏观组织细化；在计算的抽拉速度范围内，随着拉速的降低，固-液界面前沿的温度梯度有一定提高，糊状区宽度减少，而偏析有所增大。和普通定向凝固过程相比电磁场的作用明显的减小了样件的宏观偏析，且温度场等值线的分布存在明显差异。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要物理名称与符号表

第一章 文献综述

1.1前言

1.2电磁场作用下的金属凝固与成形

1.3计算机模拟方法在研究中的应用

1.4电磁场作用下凝固过程的数值模拟

1.5本论文研究内容简介

第二章 电磁场作用下定向凝固过程多场耦合的数学模型

第三章 耦合方程的离散及求解方法

3.1控制方程的离散

3.2电磁场的求解

3.3离散方程的耦合求解

3.4关于求解方法的讨论

3.5数值求解策略

3.6主要函数和功能

3.7本章小结

第四章 电磁场及普通定向凝固过程物理场的耦合分析

第五章 电磁场作用下定向凝固过程多场耦合的研究

5.1数学模型和边界条件

5.2研究对象及模拟条件

5.3电流频率对凝固过程的影响

5.4电流强度对凝固过程的影响

5.5抽拉速度对凝固过程的影响

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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