金属材料相变导热系数研究—实验和数值模拟的结合.pdfVIP

申国工程热物理学会 论文编号：99312 传热传质学学术会议 金属材料相变导热系数的研究——实验与数值模拟的结合‘ 周孑民” 刘健君 李长庚 邓胜祥 彭勇文 (中南工业大学应用物理与热能工程系，长沙，410083) 摘 要将数值方法应用于热物性测试，设计了一种熔点温度为200～7004C的金属及台 金相变时固、液相导热系数的测定方法。通过探测相变过程中相界面的移动曲线，并采 用有限差分法模拟相变过程，对金属锌和铝．硅、铅．锑等共晶合金的导热系数进行了研究。 所得的结果与文献数据吻合较好，表明该方法可用于金属及合金相变条件下热传导的研 究以及相变温度附近固、液相导热系数的测试。 关键词相变 导热系数 金属 合金 1．引言 目前，相变材料或相变过程广泛应用于【业、航空航天及民用领域，如同收口星的 表面处理，被动式太阳房噎温采暖，以及冶金行业常见的区域熔炼和金属熔体的浇铸过 程等ti】，这些应用都与材料在熔点温度附近同、液相的导热性能紧密相关。M．Lamvik 利用相界面移动速率曲线成功地测试了水，苯、金属镓和伍德台金等低熔点物质相变温 度附近的导热系数[2-4J．实验方法是通过循环恒温流体来实现试样边界温度突变和一维 相变过程，并以Nuemann模型推导出的该定解条件下的解析公式直接计算导热系数。这 种方法应用到较高熔点物质时，边界温度通常采用电加热器控制，边界温度突变难以实 现．因而不能用解析公式直接计算导热系数。本文通过采用新的数值方法模拟实验条件 下的相变过程，对熔点较高的金属及合金同、液相导热系数进行了研究。 2．测试原理及数值方法 相变过程是典型的非稳态导热过程，研究相变导热问题和相变导热反问题一般都采 ’图象自然科学基金(N资助项日 ”第～作者．用孑民．男，50．教授，博I：生导师 本研究采用了Stefan模型。相变前物质处于熔点温度T皿并保持单一相态，在t=0时刻端 面温度突然改变△T(物质处于固态，△TO：物质处于液态，△T0)，此时由导热方 程和定解条件可确定相界面移动与时间的函数关系式如下： s(t)=2K4at (1) 式中K为熔化常数(对凝固过程，则称为凝固常数)，a为导温系数。若通过实验 测试得出sm与t的关系曲线，就可确定导温系数a，进而由a和物质的热容及密度计算 得导热系数^。实验的设计有两个技术难点：1)试样中通过一维热流，实现一维相变： 2)试样表面温度突变并保持在变化后的温度。一维热流可通过良好的保温近似实现。对 于熔点较低的物质，试样表面温度突然改变可通过处于不同温度的恒温水浴(油浴)来 控制。而对于熔点较高的金属或台金，只能通过电加热器控制表面温度。但电加热时试 样边界温度变化是个较长的波动过程，在这种情况下，无法利用式(1)由实验测出的s(t) 计算a。为了解决这个问题，本研究首次采用了数值模拟来建立实验的激励(边界温度) 和响应(相界面移动曲线)之间的定量关系。 利用古典晦差分格式对一维相变导热偏微分方程离散化，将试样长度J等分，相变 时间N等分，已经发生相变试样中的导热方程为 Tj，。=一rrrj—I，。“+(1+20Tj，。+1一rTj+ln+l (j=l，2，3，…，J一1；13．=0，1，2，3，…，N一1) (2) oAt r：_了a 、。(3) Ax‘ ao=≥ (4) t．pp 式中^。为导热系数预估值，△x，△t分别为距离步长和时间步长，c。为定压热容， P为密度。 为了计算相界面处的传热和相变过程，假定潜热效应发生在熔点温度附近一个很小 的有限温度范围，在此温度范围内，将潜热计算为热容，即 T