超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法技术

超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，属于铝合金熔体质量运动领域，具体涉及一种超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法。本发明专利技术针对现有的缺陷，提供了一种能够在超声场及旋转场的复合场中定量分析传质速率、增加净化气泡瞬态运动的理论支撑的净化气泡瞬态传质模型构建方法。本发明专利技术所涉及的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，建模前进行假设，任意条件影响下熔体中净化气泡保持球形，构建净化气泡瞬态运动模型的完整运动方程，构建净化气泡瞬态传质模型，净化气泡运动传质耦合模型进行仿真分析。本发明专利技术尤其适用于实现航空航天、信息产业、交通运载等对铝合金构件的质量要求高的技术领域。

Transient mass transfer modeling method for purifying bubbles in melt under ultrasonic and swirling flow field

The method of constructing the transient mass transfer model of purified bubbles in melt under ultrasonic and swirling flow fields belongs to the field of mass movement of aluminium alloy melt, and specifically relates to a method of constructing the transient mass transfer model of purified bubbles in melt under ultrasonic and swirling flow fields. In view of the existing defects, the present invention provides a method for constructing a model of instantaneous mass transfer of purified bubbles, which can quantitatively analyze the mass transfer rate in the composite field of ultrasonic field and rotating field, and increase the theoretical support of the instantaneous motion of purified bubbles. The method for constructing the model of instantaneous mass transfer of purified bubbles in melt under ultrasonic and swirling flow field is described. The assumption is made before the model is built. Under any conditions, the purified bubbles in melt remain spherical, the complete motion equation of the model of instantaneous motion of purified bubbles is constructed, the model of instantaneous mass transfer of purified bubbles is constructed, and the motion transfer of purified bubbles is purified. The qualitative coupling model is used for simulation analysis. The invention is especially applicable to the technical field of realizing high quality requirements for aluminium alloy components in aerospace, information industry, transportation and so on.

【技术实现步骤摘要】
超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法
本专利技术属于铝合金熔体质量运动领域，具体涉及一种超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法。
技术介绍
铝及其合金在熔炼过程中会与空气中的水蒸气反应产生氢原子，并被铝液吸收，易使铸锭产生气孔和夹杂等缺陷，这不但会降低铝合金产品的使用寿命，而且还会影响产品质量，为保证铝合金材料冶金质量，高效的铝熔体运动技术至关重要。旋转喷吹运动技术属于吸附运动的一种，通过改善铝熔体运动过程中动力学条件从而提高运动效率，是目前国内外广泛应用的一种运动方法；其原理是向熔体中通入惰性或者活性或者这两种混合气体，利用分压差脱气原理使得熔体内部的氢扩散进入净化气泡，上浮过程中净化气泡会吸附一些夹杂物，起到除气除杂的效果；其缺点是除气率低，一般在70％以下，净化气泡尺寸不够小，高转速可有效减小净化气泡直径，但易引起熔体翻腾，使熔体中心区域压力降低，产生吸气及合泡现象；而超声除气是一种无污染，高效，便捷的除气方法，近年来被广泛研究；超声在熔体中能产生空化、微射流等效应，微小的空化泡在振动扩散中长大、上浮，熔体中的氢进入空化泡中，升至液面，进而达到除气效果；我本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤一、建模前，进行如下假设，任意条件影响下熔体中净化气泡保持球形，本过程处于恒温绝热状态；步骤二、构建超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型的完整运动方程，所述的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型的完整运动方程为：

【技术特征摘要】
1.超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤一、建模前，进行如下假设，任意条件影响下熔体中净化气泡保持球形，本过程处于恒温绝热状态；步骤二、构建超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型的完整运动方程，所述的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型的完整运动方程为：式(36)中，为净化气泡距离液面深度的导数；净化气泡竖直方向速度；R为净化气泡半径；g为重力加速度；CDh为竖直方向的阻力系数；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度；为净化气泡在竖直方向分速度的导数；为净化气泡径向运动距离关于时间t的二阶导数；CDr为径向阻力系数；为净化气泡径向运动距离关于时间t的导数；ωL为流体转速；ρL为液相流体密度；r为净化气泡径向运动的距离；r＝r(t)；r0为净化气泡径向运动的初始距离；p∞为流体中无穷处的压力，patm为标准大气压；p∞≈patm；pL为液相流体中泡壁表面压力；为净化气泡运动转过角度关于时间t的一阶导数，θ为净化气泡运动转过的角度，其中θ＝θ(t)；为净化气泡运动转过角度关于时间t的二阶导数；CDθ为横向阻力系数；θ0为净化气泡运动角度的初始值，θ0＝0；步骤三、构建超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型，所述的净化气泡瞬态传质模型为：式(48)中，mb为净化气泡质量，其表达式为dmb/dt为气泡瞬态传质速率；J为气泡界面质量流量；S为通量面积；α为气泡所确定的球坐标系下的极角；DAB为气体分子在液体中扩散速率；υb为气泡运动的合速度，C*为气液界面处气体的平衡浓度；C1为气液界面处气体质量浓度；CA是液相中气体的质量浓度；H为溶解度系数；pb为任意时刻气泡内部压强；步骤四、根据净化气泡瞬态传质模型(48)与净化气泡瞬时运动速度υb及净化气泡随时间变化的半径R(t)，将净化气泡质量mb的表达式进行变形，得到气泡运动的合速度υb与净化气泡随时间变化的半径R(t)的关系式，最后与净化气泡瞬态运动模型进行耦合，并进行数值计算，得到气泡传质速率变化情况；步骤五、超声及旋流场下熔体中净化气泡运动传质耦合模型进行仿真分析。2.根据权利要求1所述的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，其特征在于，在步骤二中，所述的净化气泡瞬态运动方程组的完整运动方程包含以下三组方程：(1)超声及旋流场的复合场中，净化气泡竖直方向瞬态运动方程：(2)超声及旋流场的复合场中，净化气泡径向瞬态运动方程：(3)超声及旋流场的复合场中，净化气泡横向瞬态运动方程：3.根据权利要求2所述的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，其特征在于，在步骤二(1)的超声及旋流场的复合场中，所述的净化气泡竖直方向瞬态运动方程的获取过程为：竖直方向上净化气泡的运动距离h，其值与净化气泡竖直方向分速度存在以下关系：式(1)中，为净化气泡距离液面深度的导数；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度，通过对净化气泡竖直方向的受力分析求得；净化气泡在竖直方向主要考虑竖直方向的粘性阻力FDh，由净化气泡在流体中竖直方向加速运动引起的该方向的附加质量力Fmh，浮力FV和重力FG作用；由于压力梯度力是指沿流体流动方向单位路程长度上的压力变化，而在竖直方向上，流体运动为相对静止状态，所以实际作用在净化气泡表面的压力梯度力忽略不计，故不考虑此力；因而，净化气泡在竖直方向根据牛顿第二定律得到：式(2)中，FV为浮力；Fmh为附加质量力；FG为重力；FDh为粘性阻力；αh为净化气泡在竖直方向的加速度，其中为净化气泡在竖直方向分速度的导数；mb为净化气泡质量，其表达式为ρb为净化气泡中气体密度；R＝R(t)为净化气泡随时间变化的半径；式(2)中，Fv为浮力，表达式为：式(3)中，FV为浮力；R为净化气泡半径；ρL为液相流体密度；g为重力加速度；式(2)中，FG为重力，表达式为：式(4)中，FG为重力；R为净化气泡半径；g为重力加速度；ρb为净化气泡中气体密度；由式(2)、式(3)、式(4)得到，净化气泡在竖直方向分速度的导数为：式(5)中，为净化气泡在竖直方向分速度的导数；R为净化气泡半径；g为重力加速度；ρL为液相流体密度；Fmh为附加质量力；FDh为粘性阻力；ρb为净化气泡中气体密度；式(5)中Fmh和FDh表达见式(6)、式(7)：式(6)中，FV为浮力；Fmh为附加质量力；FG为重力；ρL为液相流体密度；KV为经验系数，理想状态下为Kv＝1/2；π为圆周率；R为净化气泡半径；t为时间；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度；vLh为流体在竖直方向分速度，已知超声及旋流场影响下，流体在竖直方向分速度为0，则存在vLh＝0；式(7)中，FDh为粘性阻力；π为圆周率；R为净化气泡半径；ρL为液相流体密度；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度；vLh为流体在竖直方向分速度，CDh为竖直方向的阻力系数，其表达式为：式(8)中，CDh为竖直方向的阻力系数；Reh为竖直方向雷诺数，其表达为：式(9)中，Reh为竖直方向熔体中雷诺数；ρL为液相流体密度；R为净化气泡半径；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度；μL为流体黏度系数；联立式(5)、式(6)和式(7)得超声及旋流场的复合场中，净化气泡竖直方向瞬态运动方程为：式(10)中，R为净化气泡半径；vbh为净化气泡在竖直方向的分速度；CDh为竖直方向的阻力系数；为净化气泡在竖直方向分速度的导数；g为重力加速度；式(10)中，若想获得净化气泡竖直方向速度则需要求得半径R的表达式，而净化气泡随时间变化的半径R，根据气泡振动Noltingk-Neppiras理论的N-N方程求得，即存在超声场的条件下，净化气泡半径满足净化气泡自身振动方程，得到净化气泡半径随时间变化，其表达为：式(11)中，R为净化气泡半径；为净化气泡关于时间t的一阶导数；为净化气泡关于时间t的二阶导数；R0为净化气泡初始半径；h0为净化气泡初始位置的深度；ρL为液相流体密度；PA为超声压幅值；μ为动力粘度系数；ω为超声场角频率，表达式为ω＝2πf，其中f为超声频率；p∞为流体中无穷处的压力，patm为标准大气压；p∞≈patm；σ为熔体表面张力系数；γ为多方指数，在绝热过程中为气体的比热比。4.根据权利要求3所述的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态传质模型构建方法，其特征在于，在步骤二(2)的超声及旋流场的复合场中，所述的净化气泡径向瞬态运动方程的获取过程为：对净化气泡径向运动过程进行受力分析，求得净化气泡在径向运动距离变化情况，复合场中净化气泡径向受力主要有粘性阻力径向分力FDr，附加质量力径向分力Fmr，压力梯度力径向分力Fpr，根据牛顿第二定律得：式(12)中，FDr为粘性阻力径向分力；Fmr为附加质量力径向分力；Fpr为压力梯度力径向分力；m...

【专利技术属性】
技术研发人员：高桂丽，王明，王傲，石德全，康赢方，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23