基于HCZ模型的注塑成型充填过程模拟

塑料熔体充填过程中的微结构形态对注塑制品性能影响很大,是注塑制品控形、控性的基础,使用格子玻尔兹曼法(lattice Boltzmann method, LBM)中的HCZ(He-Chen-Zhang)模型能模拟注塑过程中复杂的多相流和微结构形态演化过程。通过开发HCZ模型的程序,模拟了模具型腔内熔体流动的Poiseuille流。研究表明,模拟结果与理论解基本吻合,验证了HCZ模型能准确地模拟塑料熔体的非线性流动行为。使用HCZ多相流模型模拟了注塑熔体充填和气辅成型气体穿透过程,模拟的注塑熔体流动前沿"喷泉效应"与实际成型过程相符,气辅成型气体压力不仅影响气道厚度,而且影响厚度的均匀性。     

冶金过程中的气液两相流模拟

冶金过程是一个涉及高温、多相流动和复杂物理变化及化学反应的多个反应单元体串联和并联的冶炼过程。目前由于单元反应器现场条件的复杂性和测量观测手段的限制,数值模拟和物理模拟相结合的研究方法已成为重现和解析其物理现象及传输机理不可或缺的手段。在洁净钢的冶炼中,由于气相的参与,形成了复杂多变的气液两相流,对反应器内的传输行为产生重要影响。两相流模拟的核心在相界面上,相间动量传递模型和相间作用力模型的精确性是准确预报不同两相流体系中气相分布的关键。本文综述了冶金过程中基于Euler体系模拟气液两相流动的几种基本模型,以及相间作用力模型和湍流模型。总结了不同冶金过程和反应器内(转炉炼钢、电炉炼钢、精炼、中间包、结晶器)气液两相流动传输行为数值和物理模拟的应用和发展趋势。     

T15高速钢异质材料激光熔覆过程的多相流模型

激光熔覆过程中熔池的演变包含能量输入、质量添加、高温金属液体流动、金属熔化凝固以及材料扩散等复杂过程。基于多相流理论,建立了T15高速钢在42CrMo基板上激光熔覆的物质传输模型。其中,质量添加与能量输入过程采用添加在熔池表面单元的源项模拟,而气液界面的捕捉则采用了CLSVOF方法。通过试验获得的熔覆层关键形貌参数,被用来验证数值模型的有效性。结果表明,T15高速钢由于其自身含有较高的硫含量,在激光熔覆熔池中,在Marangoni力的驱动下具有明显内向流动的特征。高温液体向下流动,形成较大的熔深。以熔覆层高度、深度、稀释率等3个形貌参数为比较依据,验证了异质材料激光熔覆的多相流模型,在不同工艺参数组合下试验值与仿真值均具有较好的一致性,证明了该模型可准确反映激光熔覆过程熔池内的微流动与物质传输行为。     

铜闪速熔炼多相流模型化研究进展

铜闪速熔炼具有高处理量、高富氧浓度、高冶炼效率和低环境污染的优势,已在世界范围内广泛推广应用,深入研究闪速熔炼过程中的物理化学现象和原理具有重要意义。然而,闪速炉内多相流间相互作用及熔炼动力学行为受到多方面因素的共同影响,仅依靠生产经验、试验观测和理论分析难以全面解析炉内多相流传质传热过程、获取流体流动特性、揭示气固多相流相互作用规律,阻碍了闪速炉冶炼效能的进一步提升。当下计算流体力学数值模拟发展迅速,正为预测和分析闪速炉内多相流问题提供了高效、准确、直观的帮助。本文在介绍铜闪速炉结构、冶炼原理、理论模型的基础上,阐述了近年来铜闪速熔炼动力学反应机理、炉内流动特性方面模型化的研究成果及发展趋势,全面综述了铜闪速炉在喷嘴、沉淀池、上升烟道、锅炉优化方面的研究成果,为闪速炉生产优化及设计改进提供指导。     

独立可调式组合电磁制动分析

为了有效控制高拉速板坯结晶器内钢液流动和复杂多相流行为,介绍了一种新型的独立可调式组合电磁制动技术(FAC-EMBr)。采用数值模拟方法对FAC-EMBr结晶器内的电磁场特性和新型磁场控流行为进行研究。数值模拟结果表明,FAC-EMBr的施加可以在结晶器的上、下回流区和弯月面区域形成均匀分布的磁场,进而对3个主要区域内钢液流动进行控制;水平磁极和立式磁极的共同作用可以显著降低钢液射流对结晶器窄面冲击强度,减小上回流和下回流钢液流速;与未施加电磁制动和施加EMBr ruler相比,施加FAC-EMBr后,弯月面波高降低至14.5 mm,即使在高拉速条件下(2.2 m/min),FAC-EMBr的施加也可达到有效的控流效果。     

水平弯管含砂分散泡状流冲蚀机理分析

目的揭示水平弯管含砂分散泡状流的冲蚀机理。方法构建气液固多相流冲蚀实验环道,研究管道内流体流动状态及管道三维冲蚀速率。采用显微分析方法研究管道冲蚀形貌,并提出基于VOF模型和DPM模型耦合的瞬态冲蚀仿真方法。实验与仿真相结合分析管道内部气液分布、颗粒运动对冲蚀形貌的影响。结果弯管冲蚀最严重区域出现在弯头出口处(θ=90?),而冲蚀最严重位置则出现在该截面φ=45?以及φ=90?两个位置上。仿真可知整个弯管冲蚀严重的区域边界呈现出较为均匀的抛物线形状。砂粒对弯管的冲蚀作用主要以冲击变形和微切削摩擦为主,砂粒的直接冲击碰撞导致试样表面产生密集冲蚀坑,冲蚀坑周围有基体材料外翻形成的"唇片"。分散泡状流中的固体颗粒大部分分散在液相中,弯头处滞止区使得弯头处截面的含液率及颗粒含量大于上下游直管段截面。气体的存在改变了砂粒在管道中的运动状态,大大加剧了弯管的冲蚀。结论水平弯管含砂分散泡状流冲蚀严重区域、冲蚀形貌与管道内部气液分布及砂粒运动直接相关,多相流冲蚀瞬态仿真方法可准确地预测管道冲蚀。     

微结构注塑熔体流动粘度特性与影响因素

以Cross-WLF模型为基础,应用微结构注塑流动条件对宏观熔体流动行为的粘度模型进行拟合与修正,得出微结构注塑熔体流动行为的粘度模型;采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行微结构成型微流体流动特性试验验证,表明模具温度对微通道熔体流动特性影响最大。当模具温度升到120℃时,冷凝层消失,熔体的流动不再受模具温度的影响;当微通道表面粗糙度峰谷尺寸与微通道尺寸的比值达到0.030时,微通道几乎被冷凝层堵死;当熔体表面张力接触角θ<90°时,表面张力对微流体流动的阻力随θ的减小而减小。采用变模温注塑技术,能够克服上述不利因素的影响。     

PECVD喷淋板上微通道结构对射流均匀性的影响性分析

喷淋板微通道结构对等离子体增强化学气相沉积镀膜工艺成膜均匀性具有重要影响,目前缺少对不同微通道差异性的研究。通过采用滑移边界修正的连续流计算方法,获得克努森数为0.009～0.01的微通道流动特性结果,计算结果与其他微通道试验与计算结果具有一致性。结果表明,等径型与收缩型微通道几何尺寸对均匀性影响较小,出口射流所形成的涡流会降低均匀性,扩张型微通道提高出口扩散性,其射流均匀性明显优于前两者。通过提出均匀性量化方法,研究等径型、收缩型和扩张型三种具有代表性的微通道结构,进一步完善了喷淋板及稀薄环境微通道研究的不足。     

大型复杂铝合金汽车动力部件的压铸技术开发

针对某大型复杂铝合金动力部件的压铸成形,应用数值模拟和物理模拟方法,在准确把握铝合金液体流动充型状态的基础上,提出了改善铝液流动形态,优化真空排气结构的技术措施,大大减少了铸件内部的卷气缺陷.同时还采用活块、局部加压、模温精确控制等技术手段消除了内部缩孔/缩松缺陷,使铸件外观及内部品质均达到了设计要求,在短期内即实现了批量生产.     

实现微通道流量均匀分配的集流器优化研究

集流器结构设计效率低下是导致微通道散热器流量分配不当的关键因素。为实现多通道散热器中均匀流动,采用ANSYS-Fluent数值模拟传统与优化集流器下微通道中的流动性能,利用气液两相流模型分析微通道中质量流量分布情况,对比2种集流器的微通道散热器在不同流动状态下的适用状况。结果表明：传统集流器沿壁面边界层的生长以及高低速分布是导致流量分配不均的主要原因;在入口流速0.5 m/s时,传统集流器中各支管质量流量偏差达到32.2%,而优化集流器仅为8.9%,各支管流量均匀性提高72.36%;优化集流器下的散热器中压能利用效率高,高压区域面积大,末端压力处于140~260 Pa的中压区域;在层流和湍流2种流动状态下,优化型散热器中各支管间流量差异能控制在±15%以内,而传统结构在±40%左右,优化结构具有更强适用性。     

气液两相流的流场特性研究——随机轨迹分离流数学模型SCIEI

针对底吹气液两相流过程的非均匀性和气泡运动过程随机性,本文从理论上提出用气液分离流动模式处理气液两相流动的方法,建立了随机轨迹分离流数学模型。该模型在Lagrangian时间序列坐标系中分析气泡的流动特性,在Eulerian空间位置坐标系中描述液体的紊流流动过程;气液相间的相互作用以气泡源项的形式在Eulerian场中予以分析;气泡的轨迹由Monte Carlo随机采样方法确定。为便于与前人的工作相比较,本文还采用均相流模型进行解析计算。研究结果表明,本文提出的分离流模型理论上合理,其计算结果与实测结果比较一致。     

FLUID DYNAMICS IN A GAS STIRRED LADLE——A Separated Flow Model with Stochastical Trajectories

针对底吹气液两相流过程的非均匀性和气泡运动过程随机性,本文从理论上提出用气液分离流动模式处理气液两相流动的方法,建立了随机轨迹分离流数学模型。该模型在Lagrangian时间序列坐标系中分析气泡的流动特性,在Eulerian空间位置坐标系中描述液体的紊流流动过程;气液相间的相互作用以气泡源项的形式在Eulerian场中予以分析;气泡的轨迹由Monte Carlo随机采样方法确定。为便于与前人的工作相比较,本文还采用均相流模型进行解析计算。研究结果表明,本文提出的分离流模型理论上合理,其计算结果与实测结果比较一致。     

优化高拉速板坯连铸中间包控流装置的水模型和数值模拟

通过建立模拟高拉速板坯连铸中间包内钢液流动的水模型和数值模拟,研究了挡渣墙、坝和抑湍器等控流装置对中间包内流体流动特性的影响.结果表明,有无冲击板对中间包流动特性的影响不大,抑湍器与单墙双坝的合理搭配对中间包内夹杂物有效去除的流动特性十分重要,否则会起负面影响.提出了一个控流结构优化设计的方案.     

基于充型过程金属液流动特点的气-液两相流算法模型（英文）

针对在铸件充型过程中,金属液表现出不同的流动特点,含有固体颗粒的金属液具有不可压缩非牛顿流的流动特性,而过热金属液具有不可压缩牛顿流的流动特点,采用Projection方法求解气体、过热金属液和含有固体颗粒的金属液的速度场,用Level set方法来追踪气-液界面边界。为了验证计算模型,将模拟结果与实验结果(采用16 mm摄像机记录充型过程)进行比对,从而证明计算模型的正确性。     

气/液/固三相线界面区对阴极电化学过程影响的研究进展

    综述了燃料电池多孔电极,气敏传感器以及多相腐蚀等不同领域在气/液/固三相线界面区特征对阴极过程的影响这一共性问题的各自研究特色与进展,分析了运用三相线界面区长度控制技术加速或减慢阴极反应速度的可行性,提出了借鉴和引进相关领域利用气/液/固三相线界面区特征来控制阴极反应的研究成果,从而发展气/液/金属复杂腐蚀体系测试方法、数据解析、模型化和行为预测等研究工作的新思路.     

板坯电磁加热中间包钢液流动特性和结构优化

电磁加热中间包技术能有效补偿浇注钢液温降,实现恒温和低温浇注。为使电磁加热中间包技术能合理应用于双流板坯连铸,建立了相应的数学模型,研究了感应加热技术对中间包内流动和温度特性的影响。考察了挡墙-挡坝和通道角度等因素对钢液温度场和流动行为的影响。结果表明,通道式感应加热技术不能直接应用于双流板坯连铸,有必要优化中间包结构。电磁加热能显著提高中间包分配室内的钢液温度,但会产生短路流。挡墙-挡坝可有效减少短路流和均匀钢液温度。挡墙-挡坝与水口出口距离为0.5 m时,钢液流动状态较好,温度分布较均匀;增大通道展开角度不适用于双流板坯感应加热中间包。合理的加热功率模式可将浇注温度波动控制在5 K以内。     

微注塑成型中熔体充模流动的影响因素研究

针对微注塑成形中因熔体的质量小、所含的热量少及流动通道截面尺寸微小等特点所带来的不同于宏观注塑成形中的熔体流动问题及影响因素,进行了理论分析及相关试验研究。结果表明,微注塑成形中,模具温度是影响微尺度下熔体流动的重要工艺因素,且随通道截面尺寸的减小而逐渐增大;而壁面滑移对微小熔体流动行为的影响,也随通道尺寸的减小而增大。此外,模具排气、通道表面粗糙度等因素的对微注塑成形的影响也不可忽视,而表面张力等因素的影响可被忽略。     

平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管评述

从微通道扁管的材料、结构、成形、表面防护及其应用进展等方面,对平行流换热器用铝合金多孔微通道扁管进行了简要评述,并对微通道扁管的发展趋势进行了展望。     

气液两相流管道内腐蚀与防护研究

气液两相流管道内腐蚀现象普遍存在。通过对气液两相流管道内腐蚀进行分类,综述了气液两相流管道中CO2腐蚀、H2S腐蚀和CO2/H2S共同作用腐蚀、冲刷腐蚀等及其影响因素,分析了气液两相流管道内腐蚀特征,归纳了气液两相流管道内腐蚀防腐方法,提出了防止气液两相流管道内腐蚀的一些建议,以期减少管道内腐蚀事故和提高经济效益,为油田及相关企业提供借鉴。     

不同形式稳流器对中间包冶金效果的影响

以某厂六流T型对称中间包为原型,计算其在4种不同外形结构稳流器的条件下,稳态浇注过程中钢液流态、温度场分布的变化,并通过RTD曲线定量分析此不同状态下的钢水混合特性。采用多相流动追踪换包操作时,中间包内钢-渣相界面的波动行为,从不同角度探讨稳流器的外形结构对中间包内钢水流动的影响。结果表明不同外形结构稳流器能不同程度地影响中间包冶金效果,每一种稳流器在不同考虑层面上都有其优势和劣势,“墨水瓶型”稳流器在耐火材料使用寿命和钢液界面波动上均表现最佳。