程中的热溶质对流。　　1引言凝固是许多加工工程中的个关键环节，凝固过程中的能量和溶质的传输将直接影响铸件的*终性能。热溶质对流是影响凝闶过程中能量和溶质传输的个重要因素，它直接影响铸锭内温度场分布和溶质浓度场分布，进而影响凝固后的宏观偏析及组织演化，因而对凝固过程中热溶质对流的模拟吸引了众多研究者的兴趣1.凝固过程宏观对流主要有热溶质对流和凝固收缩诱导流动。其中热溶质对流是由于液体金属的密度沿高度方向分布不均而引起的。而这种密度分布的不均，是由于在凝固过程中，热膨胀系数和溶质膨胀系数引起的。这种对流是产生宏观偏析的主要原因，因而研究影响热溶质对流的因素具有很重要的意义。　　密度材料在相同的凝固边界条件下的热溶质对流，对比模拟结果找出产生差异的原因。为，李强男，1973年10月，博士研究生；主要从事凝固过程组织演化模拟；通信地址沈阳文化路72号，邮编了便于比较，在界面换热系数的模拟中，模拟了凝固时间为1000 3的温度场和速度场。在比较密度对热溶质对流的影响时，模拟1凝固时间为500 3时的温度场和速度场。　　2模型的选用热溶质对流模型采用文献5的模逛，模型求解采用咖尺方法6和体积平均的方法模型中热膨胀系数和溶质扩散系数为常数，材料为元合金，在凝固界面上溶质分配按杠杆定律来计算凝固后期在糊状区液体金属的流动按达西原理来处理。　　在模拟不同界面换热系数下的热溶质对流时，首先假设在模型中其它参数保持不变，只有界而换热系数改变，液体金属密度为7806界面换热系数分别为100界！卞，5002000脊12.种情况。在模拟材料密度对热溶质对流的影响时，也是首先假设其它条件不变，只，材料度选取2700kgm3，利用这个结果同上面汁算的结果进行比较。比较密度不同对凝固过程中的热溶质对流的影响。　　模拟铸锭的尺寸形状1.　　3模拟结果与分析从2中可以看出在热溶质对流的影响下，液体金属在铸锭底部在较顶部冷却快。这是由于随着温度的降低，冷的液体金属密度增大，向铸锭的底部运动，使得铸锭的底部冷却较顶部快，2随舂铸锭的不断冷却，在散热边界侧，过冷金属液体开始凝固形核和长大，凝固过程溶质被不断的排到固液界面前沿，固液界面前沿的区域液体金属密度会随着溶质浓度的增加而降低，造成富集溶质的液体金属将向铸锭的顶部运动，它与温度差引起小2.　　从3可以看出随着凝固的进行，铸锭内的液体金属的流动逐渐减慢。而在凝固初期，316，由于界面换热系数较大，液体金属冷却较快，使得靠近散热边界处的液相迅速冷却下来，并向铸锭的底部运动。当冷却时间为5，3时，在散热边缘处的金属温度已经低于1580，此时过冷金属开始凝固并伴随着溶质的排除。溶质排出会导致这部分富集溶质的液体金属产生向上的运动在这两种运动的共同作用下，在铸锭底部产生旋涡状流动，随着凝固的进行，铸锭内固相分数的不断增加，造成固液界面上的溶质不断富集，液体金属的流动逐渐减缓，3.　　是致的，但在散热边界侧液体金属的温度的下降速度上看，2较4的快。　　行503时，界面换热系数为500评，12的铸锭内液体金属的流动速度更快，且没有涡流产生。随着凝固时间的延长，铸锭内液体金属的流动速度都逐渐减慢，俏界面换热系数为5012的流动速度铸锭较界面换热系数为1界2.的大，对照5和心出的溶质少，这使得由溶质引起的流动较弱，这样温度引起的对流阻力就小，流动较界而换热系数大的强烈。　　从6中可以看到当凝固到5，8时，铸锭的散热边界侧已经冷却到1740 1以下，在底部温度*低点能达到1640.随着凝固时间的延长，液体金属逐渐由铸锭的下部向上部冷却下来，等温面的宽度逐渐增加，66.到6时，铸锭内的温度*低值为1580，而在2和4中当冷却时间为5，3时，铸锭内*低点即已达到了1580尺，说明冷却速度慢。在6中同时可以看出宽度方向上温度差值较2和4的小。　　从7中可以看到，当凝固时间为5，3时的速度场。从中可以看到，液体金属在铸锭液体金属的速度在铸锭散热边侧底部*大。随着凝固时间的延长，液体金属的流动速度逐渐减慢，76心产生这种现象主要是由于沿宽度方向上液体金属温度相差不大，所受的压力与，力接近平衡，液体金属的运动的驱动力减小了。　　在比较不同换热系数条件下的铸锭温度场时可以发现，随着界面换热系数的增大，沿散热方向上的温度梯度就越大，参246同时也可以看到，由于热溶质对流的作用，铸锭底部的液体金属较顶部冷却较快。　　比较+同散热条件下铸锭内液体金属速度场可以发现，当界面换热系数评而12.尺增大到500，12寸，铸锭内液体金属流动速度加快，7和5.当界面换热系数增大到1000，121的时候，在铸锭的底部会产生不稳定的流动，3.由此我们1以通过控制注定的界面换热系数达到控制铸锭内液体金属的流动，进而有效控制宏观偏析。　　同的情况下，密度较小的液体金属冷却速度更快，这主要是由于材料密度的降低相当于热溶质对流的驱动力增强，铸徙更容易冷却下来3 2700kgm3时速度场，比较9与5町以看出，当凝固时间为5，3时，铸锭内液体运动比较强烈，随着凝固时间的延长，密度小的液体金属流动速度较5的冷却快，尤其是铸锭底部靠近散热边界侧，这样液体金属能够更快的冷却下来。　　在比较材料的密度对流动的影响上可以看到，随着材料密度的增加，铸锭内液体金属的热溶质对流效应减弱4结论通过对不同界面换热系数和密度的选择，模拟了热溶质对流，在分析模拟结果后可以得到以下结论随着界面换热系数的增加，沿散热方向上的温度梯度增大，液体金属的热溶质流动加剧，当界面换热系数达到1界12时，会在铸锭的底部产生涡流。　　随着材料密度的增加，铸锭内的液体金属的热溶质对流减弱。　　通过模拟可以知道，通过控制界面换热系数和材料密度可以达到控制铸锭凝固过程的温度场和液体金属的流动，在定程度上可以控制宏观偏析。　　3帕坦卡。传热与流体流动的数值计算。北京科学出版社，1984 8周尧和，胡壮麒，介万奇。凝固技术。北京机械工业出版社，1998