考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究

《考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第8&卷第I期%""$年I月物理学报P)178&，O)7I，Q*+3，%""$!"""-&%<"J%""$J8（&"I）J!##’-"#K:LK?=(MN:KMNON:K!%""$:@A+7?@RC7M)27!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究薄勇王德武应纯同（清华大学工程物理系，北京!"""#$）（%""&年’月&日收到；%""&年#月$日收到修改稿）将关于液面凹陷的()*+,-./01/23方程与关于金属溶池的

2、流体力学方程组及关于金属蒸发的456方程联立求解，在给定的电子枪加热条件下，获得了熔池流场和温度场图像及金属蒸气密度、速度和温度分布7数值计算结果表明，随电子枪功率增加，金属的蒸发速率增加，蒸气的密度增大、温度降低而速度升高7与假设液面为平面的情况相比，考虑液面凹陷后求得的液面温度较低，金属的蒸发速率较小，并且这种差别随电子枪功率的增加而扩大7因此对于高功率电子枪加热金属蒸发，必须考虑液面凹陷的影响才能得到符合实际的结果7关键词：液面凹陷，()*+,-./01/23方程，熔池，金属蒸发!"##：$’%89，’%!8:发过程，其截面如图!所示

3、7在电子束的作用下，坩!;引言埚中部分固态金属熔化，熔池表面由于金属蒸气的反冲力而形成凹陷，坩埚外壁由循环水冷却，坩埚内现代科技的许多领域需要研究电子枪加热金属则存在着比较稳定的固液界面7金属蒸气在真空室的熔化与蒸发过程，如金属铸造、电解冶炼、表面处中向上蒸发，在蒸发液面附近的6+*FC3+层原子之理及核能工业等7电子枪加热坩埚中的金属，蒸发时间猛烈碰撞，宏观物理量变化显著，在外部膨胀区金产生的反冲力将使熔池表面出现凹陷7这会影响液属蒸气由亚音速区经跨音速区过渡到超音速分子流态金属的流动及传热特性，从而影响金属的蒸发速区，在分子流区蒸气密度

4、很低，金属原子之间几乎不率以及金属蒸气的密度、速度和温度分布，因此需要发生相互碰撞7研究不同条件下液面凹陷对电子枪加热金属熔池的影响7!<#&年=/>))+和?@A1A0给出了熔池液面凹陷［!］的()*+,-./01/23方程7!<<&年王永刚研究了给定液面温度分布条件下的液面凹陷形状以及给定液面凹陷形状下的液面温度分布，并测量了电子枪加热［%］金属铜熔池的液面凹陷深度7!<<#年B3CD3>E3>,等人用有限元法研究了电子枪加热柱状金属铝熔池［&］的流场情况，其中考虑了液面凹陷问题7本文将关于液态金属流动的流体力学方程组与关于液面形状［$

5、］的()*+,-./01/23方程联立求解，获得了熔池的液面凹陷形状及液面温度分布，并在此基础上利用图!金属熔化与蒸发的物理模型及坐标系［8］456模型方程求解了金属蒸气从凹陷液面蒸发的动力学过程，进而研究了不同电子枪功率下熔池液面凹陷形状对金属蒸发速率及金属蒸气宏观特性的$%&%考虑液面凹陷时金属熔池的数学模型影响7把液态金属作为黏性不可压的层流流体，只在%;金属熔化与蒸发的数学模型计算密度项时采用4)*CCA+3CG近似，则可以得到液态金属流动满足的涡量H流函数形式的流体力学方线性电子枪加热长槽形坩埚中金属的熔化与蒸［I］程组$;;;物

6、理学报*&卷##!!!!!!&!!!!!，（$）其中#!"*-%*,-，#&"*-%*,$，*,"*&!*$*’，*+!#"%"!#(##)!"!$!"!"!$（）’="*#!*#，*"*!!*#(*"+%$#，*"#&#&$#-$#$$%’#!!&!#!&"$!!!，（#）#(##)!"!$!"!$$’>（$%’）!’=#’=####，*&"（+%$）·#，*’"，!"%!%，#"!%，（&）$%’#（$%’#）$%’#!$!"=’#和’>#分别为’#的一次导数和二次导数(##!"%(!%#!!%)，（’）气液界面和固液界面上的边界条件参

7、考文献#!"!$［:］，整个熔池液面上金属的蒸发速率为其中!，#为流体速度的"，$分量，!为涡量，&为流函数，&为流体温度，#为运动黏性系数，$为热))"!#/"·70.扩散系数，为体积膨胀系数(对于固态金属部分采"=#用无内热源的固体热传导方程描述，即"!#)))"1（$!’#）8#"2&·7"，（$#）.##!&!!&")(（*）其中/为液面"处的蒸发速率，1为金属原子量，##"!"!$2为气体常数(由于熔池液面的法向上，存在着蒸气压力、液体压力及表面张力的平衡，因此可以得到关于液面凹［#］!"!"考虑液面凹陷时金属蒸发的数学模型陷形状

8、$"’（"）的+,-./01234256方程##7’（#"）’#电子枪加热坩埚中金属真空蒸发属于稀薄气体("#&8#!(%’（#"）动力学研究范畴，可以用?@A方程描述：7’（#