铝合金超声凝固溶池流场数值模拟及试验研究

作     者：谢恩华 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李晓谦

授予年度：2009年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：Eckart声流 声压场分布 工具杆 空化范围 数值模拟 

摘      要：在铝合金的铸造过程中施加超声外场技术是当前国际研究的热点和未来铸造技术的一个新的发展方向,超声波在金属熔体中产生的空化和声流效应可以明显改善成型铸锭的组织和性能,本文主要以铝合金超声铸造为切入点,研究以下几方面内容: 1、通过测量超声工具杆端面在空气中的位移振幅,应用多介质声波传输理论对工具杆在铝合金熔体中的声压分布进行计算,得到了工具杆在铝合金熔体中产生的声压场分布。在对空化理论以及空化阈值的影响因素进行分析后,结合熔体的声压场分布,得出在本试验条件下超声设备在铝合金熔体中所产生的空化场约为工具杆端面下30mm范围内。 2、通过对熔体中的Eckart声流现象进行理论分析,考虑流体方程各参量的二阶项的基础上,经过分析和推导,得到了Eckart声流驱动力的表达式。应用流体仿真软件Fluent对置于坩埚中的7050铝合金熔体超声处理过程进行数值模拟,通过对熔体内的超声吸收系数进行分析和计算后得到试验条件下的声流驱动力值,随后通过UDF函数将其添加到Fluent的计算过程中进行模拟计算,模拟结果表明:在输出功率为170W的超声波的作用下,在坩埚的可流动区域内,形成了大规模的Eckart声流现象;高速并不是声流的特点;在液相区域内位于工具杆对称轴线上的轴向速度幅值呈先增大后减小的趋势;仿真得到的最大轴向速度幅值与Eckart声流轴向速度经典公式计算值在一个数量级上,但在出现位置上与其有偏差;声流驱动力增大时,最大轴向速度幅值并不随着线性增大,驱动力的增大影响了温度场和声流范围;随着容器规模的增大,最大轴向速度幅值也随着迅速增大,但随后增长幅值渐小。 3、根据仿真模拟条件,进行铝合金超声坩埚铸造试验,试验结果发现了从工具杆端面至坩埚壁面的一条超声作用区域分界线,结合空化场的分析和声流场的数值模拟结果,间接证明了超声声流对铸锭细晶区域的贡献。铝合金的超声半连铸试验结果证明了超声波在半连铸领域具有同样的细晶效果,对比浇铸口引起的外流场和超声流场,可知声流现象在半连铸试验中对于细晶区域的贡献很小,可以忽略不计。