【正文】 流入邊界的流體問題時(shí)，也可以用來進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。這就在很大程度上節(jié)省了在計(jì)算模擬上所投入的枯燥、重復(fù)而低效的勞動(dòng)，從而使相關(guān)人員能把更多的智慧和精力投入到相關(guān)流體問題本身的探索上 [50]。另外它可以靈活地適應(yīng)各種機(jī)器與操作系統(tǒng)。因此，一方面應(yīng)該把 CFD 看成一種輔助的研究手段和工具，將 CFD 技術(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合起來，發(fā)揮分析人員的主觀能動(dòng)性，才可能比較順利地解決問題；另一方面， CFD 分析人員應(yīng)該加強(qiáng)CFD 基本理論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，提高職業(yè)水平，合理充分地使用好這個(gè)強(qiáng)大的工具。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為科學(xué)研究中很多復(fù)雜流動(dòng)等問題提供了一個(gè)非常行之有效的計(jì)算技術(shù)。流體運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致理論分析不可能求得具體的解析解。金屬熔體的攪拌更加難以進(jìn)行預(yù)測(cè)和測(cè)量。通過攪拌操作可實(shí)現(xiàn)物料的混合、分散、懸浮、乳化，或強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞。 因此，合理選擇葉片的浸入深度至關(guān)重要。結(jié)果表明：在這三種攪拌槳中，渦輪攪拌槳的攪拌效果最好，增強(qiáng)體顆粒被其產(chǎn)生的強(qiáng)烈流動(dòng)較均勻地帶入金屬熔體內(nèi)，而且陶瓷顆粒和金屬熔體混合較均勻；螺帶式攪拌槳雖能產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流，但對(duì)陶瓷顆粒的均勻分布作用 不大；平直葉攪拌槳?jiǎng)t很難產(chǎn)生渦流或只能產(chǎn)生較弱的渦流。平槳式攪拌槳很少用于分第 1章 緒論 13 散過程。 圖 常見的機(jī)械攪拌槳形式 [2] Figure Mechanical stirrer designs 在選擇攪拌槳時(shí)，應(yīng)考慮的因素很多，最基本的因素是攪拌的目的，物料的粘度以及攪拌容器容積的大小。攪拌槳的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)其周圍流體的湍動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生一股高速射流引起周圍流體沿一定的方向在攪拌槽內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。在擠壓過程中，復(fù)合材料受三向的壓應(yīng)力作用，基體會(huì)發(fā)生一個(gè) 方向上延伸，兩個(gè)方向上壓縮的流動(dòng)，晶粒在擠壓方向上被拉長(zhǎng)。這兩種作用方式都導(dǎo)致了凝固過程中顆粒的再分布。 2. 噴射法。 SiC 顆粒的均勻分布 SiC 顆粒在所制備復(fù)合材料中的均勻性對(duì)材料的性能有著重要的影響。 (5) 混合結(jié)合，由前面四種界面結(jié)合形式中的兩種或多種所聯(lián)合起作用的界面結(jié)合方式。 Miwa 等 [22]提出顆粒表面吸附的水蒸汽與溫度有很大關(guān)系，在 200℃ ~600℃ 時(shí) ， 表面吸附的大部分水蒸汽可去除。一般來說，氣孔產(chǎn)生的原因主要有以下三種：（ 1）攪拌過程中的氣體卷入；（ 2）熔體吸入的氫；（ 3）凝固收縮，通?？炖?能降低鋁合金鑄件的氣孔率，而對(duì)鋁基復(fù)合材料中卻恰好相反，這是因?yàn)閺?fù)合材料中的氣孔有很大一部分是攪拌過程中卷入的空氣和熔體吸第 1章 緒論 7 入的氫，快冷時(shí)縮短了氣泡逸出鑄件的時(shí)間，從而提高了氣孔率，故在機(jī)械攪拌制備復(fù)合材料過程中，預(yù)熱模具有利于復(fù)合材料中氣孔率的降低。這是因?yàn)轭w粒尺寸越小，其比表面積越大，當(dāng)細(xì)小的顆粒通過液面進(jìn)入熔體時(shí)，金屬液會(huì)慢慢包裹顆粒，這會(huì)導(dǎo)致所需要的表面能的增加。但鍍層金屬容易與熔體發(fā)生反應(yīng)，從而影響最后的凝固形貌，而且鍍層工藝比較復(fù)雜，成本較昂貴 [17]。 SiC 顆粒與基體之間潤(rùn)濕性是影響復(fù)合材料性能的重要因素。這個(gè)能量的值取決于潤(rùn)濕角 ?的大小以及該時(shí)刻顆粒平行于液面的表面積的大小。假設(shè)顆粒為一個(gè)半徑為 R 的球形粒子，那么顆?；烊虢饘僖旱倪^程即是半徑角 ?在 0~180℃之 間 變化的過程 。 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原理 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料受很多因素的影響，如攪拌槳設(shè)計(jì)，攪拌溫度，攪拌轉(zhuǎn)速以及凝固過程等等 。要推廣其應(yīng)用，關(guān)于復(fù)合材料的制備及成型工藝還需要做大量的研究 [14]。 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其簡(jiǎn)便、靈活，而被廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是不易制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且對(duì)增強(qiáng)體顆粒損害較為嚴(yán)重 [7]。每種制備工藝都想要盡可能地獲得顆粒分布均勻且與基體結(jié)合良好的復(fù)合材料 [5]。C , stirring speed is 500rpm, stirring time is 10 min, the particles dispersed well and less casting defects are found in the posites. Key words: Stir casting, SiC, MMC, disperse, CFD, DPM 目錄 I 目錄 第 1 章 緒論 ........................................................................................ 1 選題意義 ....................................................................................... 1 機(jī)械攪拌制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原理 ......................... 3 顆粒進(jìn)入熔體的熱力學(xué)條件 ................................................. 3 顆粒進(jìn)入熔體的動(dòng)力學(xué)條件 ................................................. 4 機(jī)械攪拌制備 SiCp/Al 復(fù)合材料的技術(shù)問題 .............................. 5 SiC 顆粒與鋁基體之間的潤(rùn)濕性 .......................................... 5 復(fù)合材料中的氣孔 ................................................................. 6 SiC 顆粒與基體之間的界面反應(yīng) .......................................... 7 SiC 顆粒的均勻分布 .............................................................. 8 攪拌槳的設(shè)計(jì) ............................................................................. 10 本文的研究?jī)?nèi)容 ......................................................................... 13 第 2 章 攪拌槽內(nèi)固液兩相體系的混合與數(shù)值模擬 ........................ 15 攪拌槽介紹 ................................................................................. 15 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)概況 .................................................................. 16 CFD 的發(fā)展及其優(yōu)劣 .......................................................... 16 CFD 模擬分析軟件 .............................................................. 17 多相流體模型 ............................................................................. 18 VOF 模型 ............................................................................. 18 歐拉模型 .............................................................................. 18 吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文 II 混合模型 .............................................................................. 19 離散相模型 .......................................................................... 19 計(jì)算流體力學(xué)模擬攪拌轉(zhuǎn)動(dòng)的方法 .......................................... 21 “黑箱 ‖模型 ......................................................................... 21 動(dòng)量源模型 .......................................................................... 21 內(nèi)外迭代法 .......................................................................... 22 多重參考坐標(biāo)系模型 ........................................................... 22 滑移網(wǎng)格法 .......................................................................... 23 數(shù)值求解步驟 ............................................................................. 24 攪拌槽實(shí)體模型的建立 ....................................................... 25 網(wǎng)格劃分 .............................................................................. 25 模型及求解參數(shù)的設(shè)置 ....................................................... 27 物料屬性的設(shè)定 ................................................................... 28 邊界條件和初始條件 ........................................................... 28 設(shè)定收斂殘差及時(shí)間步長(zhǎng) ................................................... 29 本章小結(jié) ..................................................................................... 30 第 3 章 基于 FLUENT 的攪拌過程中流場(chǎng)的模擬 ........................... 31 攪拌槽結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分 .............................................................. 31 攪拌槳設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬結(jié)果分析 .............................................. 33 槳葉形式的影響 ................................................................... 33 槳葉傾斜角度的影響 ........................................................... 36 槳葉浸入深度的影響 ........................................................... 38 目錄 III 攪拌工藝的數(shù)值模擬結(jié)果分析 .................................................. 39 熔體粘度的影響 ................................................................... 40 轉(zhuǎn)速的影響 .......................................................................... 41 時(shí)間的影響 .......................................................................... 43 模擬存在的問題 ......................................................................... 44 本章小結(jié) ..................................................................................... 44 第 4 章 機(jī)械攪拌法制備 SiCp/20xx 復(fù)合材料 ................................. 47 試驗(yàn)材料 .....................................................