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D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.008 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 定向凝固过程中的流动效应 张国志冯妍卉张欣欣聂红 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要在类合金(NH4C一H0溶液)定向凝固晶体生长实验装置上，利用30m煤粉作示踪粒子，再现糊状区内微通道流 以及通道出口处的流体流动，并测算了各处流体的瞬时速率.分析认为：凝固初期，糊状区内固相体积分数较大，内部流体流 动受阻：随着固相体积分数减少，糊状区孔隙率增大，流体充分发展；当平均固相体积分数降至0.42，接近最小值0.38时，当 量雷诺数达到临界值(247)，糊状区内形成微通道：随着通道宽度逐渐扩大，液相区内热流体进入微通道，微通道内稀冷液体 向上流，浓热液体向下流，促使通道内溶液再结晶 关键词定向凝固：流动效应：临界雷诺数：微通道；再结晶 分类号TQ026.5 Convective effects during unidirectional solidification ZHA NG Guozhi,FENG Yanhui,ZHA NG Xinin,NIE Hong School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACI Directional solidification experiments were carried out using the analogue casting system of NHiCI-H2O solution by cooling it from below.The transient velocities of fluid flow within the micro-channel of mushy layer were measured by using observa- tion facility and tracer coal particles of 30m in diameter.It turned out that during the solidification process,the mean solid fraction of mushy layer descended rapidly at first,so the mushy layer got more permeable and natural convection was more likely to occur. When the mean solid fraction was down to 0.42.and closed to the smallest value of 0.38.and the equivalent Reynolds number ex- ceeded the critical value.about 247,plume convection with associated micro-channel occurred in the mush.With the expanding of channel width.the solution of liquid region,whose temperature was higher than that of mushy layer,flowed into the micro"channel. The convection within the channel was found to consist of upward flow and dow nward flow.The counter flow advected heat away and solute which was favorable to solidification.so that solution within the channel recrystallized. KEY WORDS unidirectional solidification:convective effect;critical Reynolds number:micro-channel:recrystallization 凝固是界面移动和输运过程（热量输运和质量 在差异，凝固过程中的流体流动，影响材料的最终 输运)的动态耦合)，凝固中各形态晶体生长均 形态、物理化学性能和力学性能，凝固过程中的流 由两个过程组成[]：母相中的晶体组元迁移到晶体 体流动效应已成为现代凝固科学的前沿领域. 表面，以及晶体组元与晶体表面的结合并释放出潜 多元系统凝固，会形成近似多孔介质的糊状区， 热的过程，一个真实的凝固系统中，通常存在着由 其由枝晶构成骨架，枝晶间充满液体。由于糊状区 于种种原因引起的对流，主要有重力对流和表面张 不易观察，其内部流体流动机理尚不明晰.1995 力对流，在地面进行的凝固和晶体生长实验，液相 年，Chen在实验中，通过X射线断层摄影技术获 中不可避免地发生热质对流，即便是在太空进行的 得了糊状区内固相体积分数值，约为0.35~0.40， 实验，Marangoni对流也始终存在，理想凝固方式 表明糊状区具有很大的孔隙率，易于流体流动· (液相中无对流，仅有溶质扩散)与实际凝固过程存 Chen和Tait等]通过实验观察，均指出糊状区内 通道的形成以及凝固前沿处的羽毛状自然对流 收稿日期：2007-03-04修回日期：2007-09-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No-50676010) (plume convection)皆是由于糊状区的不稳定性，多 作者简介：张国志(1981一)，男，硕士研究生：冯妍卉(1974一)，女， 元系统凝固行为主要发生在糊状区内，其内部物理 副教授，博士，E-mail:yhfeng@me-ustb.edu:cm 现象及其机理，需继续深入研究，定向凝固过程中的流动效应 张国志 冯妍卉 张欣欣 聂 红 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 在类合金（NH4Cl－H2O 溶液）定向凝固晶体生长实验装置上利用●30μm 煤粉作示踪粒子再现糊状区内微通道流 以及通道出口处的流体流动并测算了各处流体的瞬时速率．分析认为：凝固初期糊状区内固相体积分数较大内部流体流 动受阻；随着固相体积分数减少糊状区孔隙率增大流体充分发展；当平均固相体积分数降至0∙42接近最小值0∙38时当 量雷诺数达到临界值（247）糊状区内形成微通道；随着通道宽度逐渐扩大液相区内热流体进入微通道．微通道内稀冷液体 向上流浓热液体向下流促使通道内溶液再结晶． 关键词 定向凝固；流动效应；临界雷诺数；微通道；再结晶 分类号 T Q026∙5 Convective effects during unidirectional solidification ZHA NG Guoz hiFENG Y anhuiZHA NG XininNIE Hong School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Directional solidification experiments were carried out using the analogue casting system of NH4Cl－H2O solution by cooling it from below．T he transient velocities of fluid flow within the micro-channel of mushy layer were measured by using observation facility and tracer coal particles of 30μm in diameter．It turned out that during the solidification processthe mean solid fraction of mushy layer descended rapidly at firstso the mushy layer got more permeable and natural convection was more likely to occur． When the mean solid fraction was down to0∙42and closed to the smallest value of 0∙38and the equivalent Reynolds number exceeded the critical valueabout 247plume convection with associated micro-channel occurred in the mush．With the expanding of channel widththe solution of liquid regionwhose temperature was higher than that of mushy layerflowed into the micro-channel． T he convection within the channel was found to consist of upward flow and downward flow．T he counter flow advected heat away and solute which was favorable to solidificationso that solution within the channel recrystallized． KEY WORDS unidirectional solidification；convective effect；critical Reynolds number；micro-channel；recrystallization 收稿日期：2007-03-04 修回日期：2007-09-10 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50676010） 作者简介：张国志（1981－）男硕士研究生；冯妍卉（1974－）女 副教授博士E-mail：yhfeng＠me．ustb．edu．cn 凝固是界面移动和输运过程（热量输运和质量 输运）的动态耦合［1－2］．凝固中各形态晶体生长均 由两个过程组成［3］：母相中的晶体组元迁移到晶体 表面以及晶体组元与晶体表面的结合并释放出潜 热的过程．一个真实的凝固系统中通常存在着由 于种种原因引起的对流主要有重力对流和表面张 力对流．在地面进行的凝固和晶体生长实验液相 中不可避免地发生热质对流即便是在太空进行的 实验Marangoni 对流也始终存在．理想凝固方式 （液相中无对流仅有溶质扩散）与实际凝固过程存 在差异．凝固过程中的流体流动影响材料的最终 形态、物理化学性能和力学性能．凝固过程中的流 体流动效应已成为现代凝固科学的前沿领域． 多元系统凝固会形成近似多孔介质的糊状区 其由枝晶构成骨架枝晶间充满液体．由于糊状区 不易观察其内部流体流动机理尚不明晰．1995 年Chen ［4］在实验中通过 X 射线断层摄影技术获 得了糊状区内固相体积分数值约为0∙35～0∙40 表明糊状区具有很大的孔隙率易于流体流动． Chen 和 Tait 等［5－6］通过实验观察均指出糊状区内 通道的形成以及凝固前沿处的羽毛状自然对流 （plume convection）皆是由于糊状区的不稳定性．多 元系统凝固行为主要发生在糊状区内其内部物理 现象及其机理需继续深入研究． 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．008