静磁场对电磁悬浮熔融液滴振荡变形及热物性参数测量影响的研究

发布时间：2023-01-29 20:12

　　电磁悬浮是一种十分重要的无容器熔炼技术,它可避免熔融材料受容器壁的污染和异质形核,适用于高活性和高纯度金属的熔炼。另一方面,它还是一种重要的熔体热物性参数测试手段,能够使熔体达到很高的过热度和过冷度,可以测量较宽温度范围内熔体的热物性参数,如表面张力、导热系数、发射率、密度、定压比热容等。准确掌握这些热物性参数对制备高质量半导体单晶体材料及高性能合金材料至关重要。为此,本文以电磁悬浮液滴为研究对象,系统研究了电磁悬浮液滴的振荡变形过程,分析了静磁场对液滴振荡变形及热物性参数测量的影响。本文首先研究了涡流效应对液滴电磁力和悬浮位置的影响,采用任意拉格朗日欧拉法计算了硅熔体液滴表面的动态变形,分析了不同电流强度和液滴半径情况下涡流效应对液滴流场、温度场和变形的影响。研究发现,涡流效应减小了液滴电磁力和焦耳热的大小,使得液滴的悬浮位置降低,而对液滴内最大速度和最高温度的影响较小,在±1%以内。涡流效应对液滴变形的影响分为两个方面:当液滴悬浮位置较低时,涡流效应减小了水平挤压力,使得液滴变形减弱;当液滴悬浮位置较高时,涡流效应使得液滴悬浮位置下降,增加了水平挤压力,增加了液滴的变形。在重力环境... 

【文章页数】：137 页

【学位级别】：博士

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主要符号表
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 电磁悬浮液滴振荡变形行为研究
        1.2.1 未叠加静磁场情况
        1.2.2 叠加静磁场情况
    1.3 电磁悬浮法在高温熔体热物性参数测量中的应用
        1.3.1 比热容的测量
        1.3.2 导热系数和发射率的测量
        1.3.3 表面张力和粘度的测量
        1.3.4 热膨胀系数和密度的测量
    1.4 电磁悬浮法在凝固过程研究中的应用
    1.5 本文的研究内容
2 线圈涡流效应对电磁悬浮液滴变形的影响
    2.1 数学物理模型
        2.1.1 物理模型及其假定
        2.1.2 电磁场理论
        2.1.3 任意拉格朗日欧拉法
        2.1.4 控制方程和边界条件
    2.2 程序正确性及网格收敛性验证
    2.3 计算条件
    2.4 线圈涡流效应对电磁悬浮液滴内磁场力和焦耳热的影响
    2.5 线圈涡流效应对电磁悬浮液滴内流场、温度场及变形的影响
    2.6 小结
3 电流强度和液滴半径对电磁悬浮液滴振荡变形的影响
    3.1 计算条件
    3.2 电流强度和液滴半径对液滴初始悬浮位置的影响
    3.3 不考虑变形时液滴内速度场和温度场
    3.4 液滴的变形及内部速度场和温度场
    3.5 不变形和变形液滴内速度和温度的比较
    3.6 小结
4 竖直磁场对电磁悬浮液滴对流及振荡变形的影响
    4.1 计算条件
    4.2 静磁场对电磁悬浮液滴对流和振荡过程的影响
    4.3 竖直磁场下电流强度和液滴半径对液滴变形的影响
    4.4 Marangoni效应对液滴变形和对流的影响
    4.5 小结
5 竖直磁场对电磁悬浮液滴振荡变形影响的实验研究
    5.1 实验装置
    5.2 实验步骤
    5.3 实验过程的温度校正与测量
    5.4 数据分析方法
    5.5 液滴振荡模式的区分
    5.6 竖直磁场对液滴振荡变形的影响
    5.7 竖直磁场对液滴表面张力测量影响
    5.8 小结
6 竖直磁场下液滴变形对导热系数测量的影响
    6.1 物理模型和计算条件
    6.2 数学模型
    6.3 模型正确性验证
    6.4 不考虑变形时液滴导热系数测量
    6.5 液滴变形对导热系数测量的影响
    6.6 小结
7 竖直磁场、横向磁场和旋转磁场对电磁悬浮液滴内对流抑制作用的比较
    7.1 引言
    7.2 物理数学模型
        7.2.1 竖直和横向磁场下洛伦兹力的计算
        7.2.2 旋转磁场下洛伦兹力的计算
    7.3 数值计算方法
        7.3.1 数值方法
        7.3.2 计算程序正确性验证
        7.3.3 网格无关性验证
    7.4 竖直磁场、横向磁场和旋转磁场下硅熔体液滴内部流动特征
        7.4.1 竖直磁场
        7.4.2 横向磁场
        7.4.3 旋转磁场
    7.5 竖直磁场、横向磁场和旋转磁场对液滴沿轴向对流抑制作用的比较
    7.6 小结
8 结论及展望
    8.1 主要结论
    8.2 工作的主要创新点
    8.3 展望
参考文献
附录
    A 攻读博士期间发表的学术论文
    B 攻读博士期间参与的科研项目
    C 攻读博士期间获得的荣誉
    D 学位论文数据集
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Density determination and simulation of Inconel 718 alloy at normal and metastable liquid states[J]. H.P.Wang,C.H.Zheng,P.F.Zou,S.J.Yang,L.Hu,B.Wei.  Journal of Materials Science ＆ Technology. 2018(03)
[2]固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流数值模拟[J]. 唐甜,石万元.  工程热物理学报. 2017(04)
[3]微重力条件下Cu-Zr共晶合金的液固相变研究[J]. 陈克萍,吕鹏,王海鹏.  物理学报. 2017(06)
[4]热处理对Al0.5CoCrCuFeNi高熵合金显微组织与硬度的影响[J]. 杨上金,吴波,刘灯宪,赵春凤,钭舒适,吴育锋,陈祖华.  金属热处理. 2015(11)
[5]静磁场对熔融液滴振荡变形影响的相场模拟[J]. 石万元,张凤超,田小红,沈骏.  西南交通大学学报. 2015(02)
[6]真空悬浮熔炼高铌TiAl合金铸锭的成分组织均匀性[J]. 张志勇,徐向俊,郝国建,张来启,林均品.  稀有金属材料与工程. 2014(12)
[7]数值分析环形池硅熔体旋转-热毛细对流及其稳定性[J]. 石万元,李建英,王瑜,李友荣.  工程热物理学报. 2012(05)
[8]微重力环境下横向旋转磁场对热表面张力流的影响[J]. 姚丽萍,曾忠,张永祥.  重庆大学学报. 2012(03)
[9]电磁悬浮熔炼技术的发展及其在金属中气体分析领域的应用[J]. 王永清,李雷,周金香,李小佳,王海舟.  冶金分析. 2008(11)
[10]电磁悬浮熔炼系统的结构及其悬浮力的研究[J]. 王晓冬,商凯东,巴德纯,王冬.  真空. 2006(06)

博士论文
[1]电磁悬浮条件下金属行为数值模拟及机理研究[D]. 高磊.昆明理工大学 2017

硕士论文
[1]磁场对悬浮精炼的影响研究[D]. 李想.昆明理工大学 2017
[2]静磁场对电磁悬浮液滴稳定性影响的研究[D]. 宋其晖.重庆大学 2015



本文编号：3732836