高铝锌合金比重偏析凝固过程数值模拟.pdf

第18卷第4典
材料开发写应用
2003年8月
文章编号:1003-1545(2003)04-0017-04
髙铝锌合金比重偏析凝固过程数值模拟
张占领,倪锋,杨留栓
(河南科技人学材料科学与工程学院,洛阳471039)
摘要:健立了固液两相流凝固模型,用 PHOENICS软件在一维柱坐标系中建模,用有限差分法离散,模拟了
高铝锌合金凝固时的比重偏析。计算结果与试验结果基木吻合,表明该凝固模型能较好地模拟比重偏析现
关健词锌铝个金;比重偏析;凝固模拟
中图分类号:TG29文献标识码:A
The Solidification Simulation of ZN-A Alloy with
the Consideration of Grayitational Segregation
Zhang Zhanling, Ni Feng, Yang L ius huan
(Material Science and Engineering College, Henan University of Science and Technolo gy, L 471039, China)
Abstract The twophase flow modcl of the solidification is established and the quations arc diltcrcnlialcd and com
putcd in 3-D cylindrical-polar coordination systcm by PHO ENTCS to simulatc the gravitational segregation of the Zm
Al alloy. IL is manifested that the computcd results are well in agrecment with the cxpcriments indicatin the modcl
can be uscd to simulatc the gravitational segregation during thc solidification
Key words Zral alloy: Gravitational segregation; Solidification simul ation
高铝锌合金力学性能女好、摩擦磨损性能优良、上,其密度小」母体合金,必然上浮?。所以,高
制作成木低.已成为铜基合金的优良代用品。但铝锌合金凝固时的典型特征是比重偏析。
高铝锌合金的突出问题是凝固过程中的比重偏
析?,易导敛锌个金铸件质量差,废品率高。因此2高铝锌合金凝固数学模型
有必要建高铝锌合金比重偏析凝固数学模型,
进行计算机模拟,研究高铝锌合企凝固过程中的2.1模拟假设
宏偏析。
俦造过程中影啊?素很多,需要抓作要?
索,舍次要?索。假设
1高铝锌合金凝固特性分析
(1)合金液吋允满铸型;
(2)考虑凝固澘热的释放和浮力项
高铝锌个金的结晶温度范围很宽,如ZA2
3)采川炳相流模型“,认为在凝固过程中,
合金为492~380℃、其凝固方式为典型的糊状凝只存在先析出的x(AI)相和剩余液相,两相密度、
固。高铝锌合金中两个组元和铝密度差异很成分均不变,a(AI)相为均匀的球形颗,用二者
大,锌的密度为7.14glcm,铝的密度为2.70g/比例的变化表示成分的变化;
cm,伴铝合金液的密度约为5.00gcm。凝固初
4)两相均视为连续体,即遵循迕续方程、
期最先析出的a(Al)相含铝量可高达57%(w)以动量守恒以及能量守恒方程。山于凝?时两相流
动速度很低,将焫相运动视为层流
基金项目:河南省教育厂自然科学基金资助项目
5)不考虑合金的过冷,凝固从液相线温度川师
(1999460014)
始到固相线温度结束。
收稿期:2003-01-23
o1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki,net
18
2003年8月
2.2控制方程
采用欧拉法建立基木方程,对控制体有
流体某个变量(如,劲量,质量等)的积累速
b=0
率=单们似时间内净流入的流体变量+控制体内单
o=A
位时问生成的变量,可用下式表示
Sゅ=0
aたV(pp)=V(Zマの+S。+
Si S
式中:西,一分別为某个变最其扩散系数
P,Uー分別为流体密度和速度失量,
分别为源项(加在整个控制
Ioo =0
体上,如重力)、相间源项、边界条件。由此
得出高铝锌合金的两相流固模型
S =0
其中,将(a),(b)分别代入(1)式可得到液固两相
(a)的流场方程;将(c),(d)分别代入(1)式得到液固
o =gravity
两相的温度场方程;将(e),(f)分别代入(1)式
Sin =friction buoy
得到液固两相的浓度场方程。式中ド标1、2分别
0
代表液相和新析出的a(AI)相。式中
分别为液相和x(A)相密度,
g1,g2-分别为液相和x(A1)相体积分
数
h;,h2一分别为液相和x(AI)相的
So = gravity
分别为液相和
Sinr =friction buoy
(A1)相的各个速度分量
液相的动力粘度和普朗特数,z
(AI)相的设为0。
gravity
重力源项
friction一液相对固相的粘滞阻力
buoy一液相对固相的浮力项,
0
Sn,S,一分別为凝固澘热和合金或砂子
的导热项
控制体内单位时间新生成的x(A1)相
质最。
下面对各项作详细介绍
粘滞阻力项的处理
高铝锌合金凝固过程中,流动驱动力来自液
(d)相与a(AD)相的密度差,流动较为半缓,认为雷诺
数小于1。假定生成的x(Al相为均匀球形。依
据斯托克斯定律?,流体作用」控制体内x(AI)
相上的阻力为
01994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net