[发明专利]超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法

说明书

超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法，属于铝合金熔体质量净化领域，具体涉及一种超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法。本发明针对现有的运动模型的缺陷，提供了一种在超声及旋流场中能够为运动模型提供理论支撑、能够得到任意时刻下净化气泡运动轨迹的净化气泡瞬态运动模型构建方法。本发明所涉及的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法，建模前进行假设：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；净化气泡运动模型进行仿真分析。本发明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。

技术领域

本发明属于铝合金熔体质量净化领域，具体涉及一种超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法。

背景技术

随着航空航天、铁路运输等行业的飞速发展，不但对铝合金相关产品需求量加大，而且对高品质高性能的铝合金构件需求量更是日益增加，而高纯净的铝熔体是获得高性能铝合金铸件的基本保障，若没有高质量的铝合金熔液，缺陷一旦从开始产生，就会顽固地存在，并难以弥补，也就不可能获得高质量的构件。而目前现有铝合金熔炼过程都是在非真空条件下进行的，在熔炼过程中存在吸气(主要是氢气)的问题，凝固后，未能离开铝合金熔体的气体就会留在铸件中形成气孔或缩松等缺陷。这些缺陷的存在，会严重削弱铸件的强度、腐蚀抗性和导电性等，影响铸件表面质量，而铝合金熔体除气处理是消除缺陷保证生产高质量铝合金构件的基本措施之一，也是提高铝合金综合性能的主要手段。因此，为获得高质量铝合金构件，有必要研究并采用先进的铝熔体除气处理方法，去除铝液中的气体和夹杂物。

现在已经发展了各种铝熔体除气处理方法，去除铝合金熔体中的气体和夹杂物。旋转吹气法是气泡浮游法的一种，向铝熔体中吹入惰性气体，在铝熔体中产生大量的外来净化气泡(惰性气泡)。初始净化气泡中氢分压为零，依据除氢动力学理论，熔体中的氢不断向气泡中扩散，直到惰性气泡中的氢分压达到平衡时，气泡浮出熔体表面，同时气泡中的氢逸出。功率超声波除气净化处理是利用超声波在熔体中的空化作用，熔体中的氢扩散到空化泡中，部分大气泡在浮力的作用下上浮逸出，从而保证气体的析出。当在旋转吹气除气过程中同时加载功率超声时，惰性气泡可能成为功率超声空化形核的载体，更利于超声空化泡的形成，气泡在熔体中弥散程度增加，也会增加氢向净化气泡中扩散传质系数，提高除气净化效率。但除气效果与净化气泡在熔体中运动轨迹关系密切，延长净化气泡在熔体中停留时间，减小净化气泡的尺寸、增加净化气泡的数量和提高熔体中气泡的传质系数，是提高气泡浮游法除气效率的关键。但是关于熔体中净化气泡瞬态运动的理论分析很少，而且方法还不够严谨，尤其是关于净化气泡在超声及旋转场作用下运动模型构建方法的空缺，使得超声及旋转吹气复合式除气净化理论依据缺乏。

因此，就需要一种在超声及旋流场中能够为运动模型提供理论支撑、能够得到任意时刻下净化气泡运动轨迹的净化气泡瞬态运动模型构建方法。

发明内容

本发明针对现有的运动模型在超声及旋流场的复合场中缺少理论依据、不能得到净化气泡运动轨迹的缺陷，提供了一种在超声及旋流场中能够为运动模型提供理论支撑、能够得到任意时刻下净化气泡运动轨迹的净化气泡瞬态运动模型构建方法。

本发明所涉及的超声及旋流场下熔体中净化气泡瞬态运动模型构建方法，包括如下计算步骤：

步骤一、建模前，进行如下假设：①任意条件影响下熔体中气泡保持球形；②旋转搅拌只引起液相水平方向圆周运动，即在超声及旋流场的复合场影响下，流体竖直方向的速度为0，水平方向运动速度随旋转速率的改变而改变；③不考虑气泡间相互作用；④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为：

竖直方向:

径向:

横向: