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第5期 张国志等：定向凝固过程中的流动效应 .549 本文设计搭建了类合金(NH4CIH20溶液)定 拍摄系统 向凝固实验台，以30m煤粉作示踪粒子，借助图 NH4CIH2O溶液中NHCI的初始质量分数是 像原位可视化技术，实时观察糊状区内通道的形成 28%,初始温度为27℃，环境温度为18℃，模拟过 以及通道内流体流动，该实验装置属低温凝固系 共晶合金定向凝固行为以30m煤粉作示踪粒 统，表面张力对流微弱，起主要影响作用的是重力对 子，其密度为1.42gcm一3，与溶液密度相当. 流，根据实验数据，分析计算通道内流体向上流和 向下流的速率，以及通道形成的临界条件，包括雷诺 2实验结果与分析 数、糊状区厚度以及平均固相体积分数， 2.1通道的形成 1 实验装置 过共晶NH4CI一Hz0溶液凝固过程中，糊状区 内枝晶主要成分为NH4C1,溶质再分配过程中，析出 实验系统包括两部分：实验本体（图1）和数据 大量的水，沿结晶器高度方向溶质浓度非稳态分 与图像采集系统（图2）·结晶器采用有机玻璃（聚甲 层，形成浓度梯度场，底部溶液温度、浓度低，密度 基丙烯酸甲酯)制作，外包丙烯酸绝热套，冷却介质 小，热、质梯度产生浮力场，糊状区和液相区出现重 经低温浴槽（冷却速率为0.032Ks一1）控制，循环流 力自然对流·在液相区内可以观察到两种流体流 入结晶器底部的冷却室，冷却实验本体的下端，实现 态[4,7]：盐指型自然对流(slat finger convection)和 定向冷凝.结晶器壁沿高度方向安有20个Pt100 羽毛状自然对流(plume convection),盐指型自然对 型热敏电阻，用于测量不同时刻高度方向上的温度 流自凝固开始就存在，稀冷液体向上流动，浓热液体 分布，CCD摄像仪、三维立体定位装置、显微镜头及 向下流动，向下的热流体被包裹在向上的冷流体中， 图像采集卡等部件组装构成空间跟踪实时原位图像 型如手指；后期，盐指型自然对流发展为羽毛状自然 对流，借助示踪粒子，实验中观察到的盐指型自然 对流（凝固前沿上方的微细白色颗粒为示踪粒子）如 图3所示，图4为羽毛状自然对流（黑圈处为向上喷 2 射流的出口)，实验中CCD拍摄的录像能较清晰显 现上述两种自然对流， 1mm 1一结晶器：2一丙烯酸绝热套：3一冷却室；4一低温浴槽 H=50mm:L=50mm:W=1mm 图1实验装置示意图 Fig.I Schematic diagram of the experimental apparatus 温度数据 热电阻 采集系统 温度计 光线 图像采集 处理系统 计算机及显示器 CCD 图3盐指型自然对流 数码照相机 Fig.3 Salt-finger convection 显微镜头 图5是糊状区枝晶微细结构及其厚度变化，糊 状区厚度呈抛物线增长，依据生物显微镜目镜测微 计，对比CCD拍摄的图片，测得主枝晶间距为 结品器 240m.糊状区的内部结构，特别是固相体积分数和 图2温度数据和图像采集系统示意图 厚度影响其内部孔隙率，决定流体流动阻力大小， Fig.2 Schematic diagram of the experimental data and image pro- 凝固初期，糊状区厚度微小，固相体积分数大，内部 cessing system 孔隙率小，流动阻力大，随凝固过程进行，稀冷液体本文设计搭建了类合金（NH4Cl－H2O 溶液）定 向凝固实验台以●30μm 煤粉作示踪粒子借助图 像原位可视化技术实时观察糊状区内通道的形成 以及通道内流体流动．该实验装置属低温凝固系 统表面张力对流微弱起主要影响作用的是重力对 流．根据实验数据分析计算通道内流体向上流和 向下流的速率以及通道形成的临界条件包括雷诺 数、糊状区厚度以及平均固相体积分数． 1 实验装置 实验系统包括两部分：实验本体（图1）和数据 与图像采集系统（图2）．结晶器采用有机玻璃（聚甲 基丙烯酸甲酯）制作外包丙烯酸绝热套．冷却介质 经低温浴槽（冷却速率为0∙032K·s －1）控制循环流 入结晶器底部的冷却室冷却实验本体的下端实现 定向冷凝．结晶器壁沿高度方向安有20个 Pt100 型热敏电阻用于测量不同时刻高度方向上的温度 分布．CCD 摄像仪、三维立体定位装置、显微镜头及 图像采集卡等部件组装构成空间跟踪实时原位图像 1－结晶器；2－丙烯酸绝热套；3－冷却室；4－低温浴槽 H＝50mm；L＝50mm；W＝1mm 图1 实验装置示意图 Fig．1 Schematic diagram of the experimental apparatus 图2 温度数据和图像采集系统示意图 Fig．2 Schematic diagram of the experimental data and image processing system 拍摄系统． NH4Cl－H2O溶液中 NH4Cl 的初始质量分数是 28％初始温度为27℃环境温度为18℃模拟过 共晶合金定向凝固行为．以●30μm 煤粉作示踪粒 子其密度为1∙42g·cm －3与溶液密度相当． 2 实验结果与分析 2∙1 通道的形成 过共晶 NH4Cl－H2O 溶液凝固过程中糊状区 内枝晶主要成分为 NH4Cl溶质再分配过程中析出 大量的水．沿结晶器高度方向溶质浓度非稳态分 层形成浓度梯度场底部溶液温度、浓度低密度 小．热、质梯度产生浮力场糊状区和液相区出现重 力自然对流．在液相区内可以观察到两种流体流 态［47－8］：盐指型自然对流（slat-finger convection）和 羽毛状自然对流（plume convection）．盐指型自然对 流自凝固开始就存在稀冷液体向上流动浓热液体 向下流动向下的热流体被包裹在向上的冷流体中 型如手指；后期盐指型自然对流发展为羽毛状自然 对流．借助示踪粒子实验中观察到的盐指型自然 对流（凝固前沿上方的微细白色颗粒为示踪粒子）如 图3所示图4为羽毛状自然对流（黑圈处为向上喷 射流的出口）．实验中 CCD 拍摄的录像能较清晰显 现上述两种自然对流． 图3 盐指型自然对流 Fig．3 Salt-finger convection 图5是糊状区枝晶微细结构及其厚度变化糊 状区厚度呈抛物线增长．依据生物显微镜目镜测微 计对比 CCD 拍摄的图片测得主 枝 晶 间 距 为 240μm．糊状区的内部结构特别是固相体积分数和 厚度影响其内部孔隙率决定流体流动阻力大小． 凝固初期糊状区厚度微小固相体积分数大内部 孔隙率小流动阻力大随凝固过程进行稀冷液体 第5期 张国志等： 定向凝固过程中的流动效应 ·549·