声悬浮无容器凝固过程中的液相流动及其效应研究

The internal fluid flow of levitated drops during containerless solidification is constrained by their free surface and shows special characteristics. Beginning with the containerless flow problem and by means of single-axis acoustic levitation, high speed imaging and fluid mechanics simulation, this project will study the laws of single phase drop, solid/liquid and liquid/liquid two phase drops under acoustic levitation condition, and investigate the interactions between the containerlss fluid flow and containerless solidification, and predict the relavent possible effects. Based on this,the dendritic growth, eutectic growth and monotectic solidification of acoustically levitated alloy melts will be crried out by laser heating technique. The containerless flow characteristics of liquid phases during containerless solidification and its dependence on surface tension and viscosity will be clarified by active control of drop dynamics and microstructural analysis.New phenomina and new effects related to fluid flow during containerless solidificaiton of acoustically levitated alloy melts will be revealed.

无容器凝固过程中,悬浮液滴的内部流动在自由表面约束下在呈现出独特规律。本项目拟从无容器悬浮液滴的流动问题入手，采用单轴式声悬浮、高速图像处理，并结合流体力学计算机模拟，开展单相液滴和固/液、液/液复相液滴在声悬浮无容器状态下的流动规律研究，分析无容器液相流动与凝固过程的相互作用，并预测可能出现的效应。在此基础上采用激光加热方法，开展声悬浮条件下合金熔体的枝晶生长、共晶生长和偏晶凝固实验研究。通过对悬浮液滴流动状态的主动控制和凝固组织分析，阐明声悬浮合金熔体在自由表面约束下的无容器流动特征及其与表面张力和粘度等物性参数的依赖关系，为合理分析声悬浮无容器凝固过程中的流动效应提供理论依据。揭示出声悬浮熔体无容器凝固过程中与流动相关的新现象和新规律，探讨声悬浮无容器凝固过程中液相流动的有效控制措施，为进一步优化声悬浮无容器凝固技术奠定基础。

声悬浮是一种重要的无容器材料加工和处理技术。本项目针对声悬浮液滴无容器凝固过程中的流动问题，采用数值模拟、高速图像处理、凝固组织分析等方法，研究了单相液滴和复相液滴在声悬浮状态下的流动规律，揭示了声悬浮合金熔体在自由表面约束下的流动效应和凝固组织形成机制。主要完成了以下四方面研究。（1）声悬浮和流动问题的离散动力学模型。建立了一个适合于单轴式声悬浮过程的轴对称流动问题的多弛豫时间格子玻尔兹曼方程和边界条件处理方法，揭示了封闭型和开放型谐振腔中声悬浮过程的声辐射压和声流分布特征。（2）声悬浮单相液滴的运动规律和内部流动。发现声悬浮水滴二阶轴对称形态振荡同竖直平移振荡之间存在两种不同的耦合机制，声悬浮状态及表面振荡引起的流动效应使甘油-水溶液内部高锰酸钾分子的迁移速率提高4~6倍，而其中固相淀粉颗粒的沉降速率降低了10%。（3）不混溶声悬浮复相液滴的内部流动和相分离。发现双水相液滴在声悬浮状态下依据液滴变形程度的不同发生上下或环形两种形式的分层，声悬浮条件下的相分离速率是静态条件下的1.5倍。（4）声悬浮熔体在不同流动状态下的凝固规律。声悬浮液滴的形态振荡和受迫振动加剧了内部流动，抑制了Sn-Ge过共晶熔体中初生（Ge）相的宏观偏析；声场低频调制引起的液滴表面起伏与凝固界面的辐射状推移相互耦合，在Ag-Cu-Sb三元共晶凝固样品表面产生环状波纹。以上研究结果丰富和加深了对声悬浮现象的理解，为进一步优化声悬浮无容器凝固过程控制和制备具有特定构造的材料提供了有益参考。