[发明专利]一种静电悬浮液态合金传热的数值计算方法

说明书

本发明涉及一种静电悬浮液态合金传热的数值计算方法，涉及一种在静电悬浮条件下规则和非规则具有旋转对称结构形态液态合金传热的计算方法。利用有限体积方法数值迭代求解非规则形态液态合金内部的传热方程，得到液态合金内部的温度场及随时间的变化情况。本发明解决了目前实验测量静电悬浮液态合金滴温度困难且误差较大的问题，且传热计算模型仅得到合金液滴质点的温度及变化情况的局限，采用二维静电悬浮液态合金传热数值计算方法可获取(1)静电悬浮条件下规则及非规则具有旋转对称结构形态的合金液滴传热；(2)液态合金内部的温度分布、温度梯度及冷却速率等丰富准确的传热信息。

技术领域

本发明属于传热计算、静电悬浮技术领域，涉及一种静电悬浮液态合金的传热数值计算方法，特别涉及一种在静电悬浮条件下规则和非规则形态合金液滴的传热计算。

背景技术

静电悬浮状态下的液态合金由于避免了与容器壁接触，可获得较大的过冷度，因而有助于深过冷液态合金的凝固机理与热物理性质研究。而实时观测及调控静电悬浮状态下液态合金的温度及变化趋势是进行上述研究的前提，因此准确获得液滴温度分布及其变化规律显得尤为重要。

近年来悬浮状态下液态合金温度测量的实验手段主要有：接触式热电偶测温和非接触式红外测温。前者把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测物质的温度，主要缺点是破坏了实验样品的悬浮无容器状态，且测量过程需要一定的热平衡反应时间，测量结果会出现一定的热延迟；后者具有无接触的优势，但受物体发射率、测量距离等外界因素影响较大，且该方法是将液态合金看作质点仅测得合金表面的温度，无法获取液态合金内部的温度场。而液态合金传热计算主要依据牛顿传热模型，将液态合金看作温度质点通过对流及辐射向外界散热，计算得到液态合金的温度变化情况，同样不能获得内部温度场信息。B.Q.Li等人模拟了静电悬浮和电磁悬浮条件下的液滴内部的流动及传热，但关注更多的是合金液滴在电场/磁场作用下内部的流动及表面变形。见文献：B.Q.Li,andS.P.Song,Thermal and Fluid Flow Aspects of Electromagnetic and ElectrostaticLevitation-A Comparative Modeling Study，Microgravity Science and Technology，1998,11(4):134-143.以及Huo Y,and Li B Q,Surface Deformation and Convection inElectrostatically-Positioned Droplets of Immiscible Liquids UnderMicrogravity,Journal of Heat Transfer,2006，128(6):520-529.

目前已有的实验手段及主要计算模型无法获得液态合金内部的温度场分布及变化情况。随着静电悬浮合金液滴的增大或冷却速率的提高，液滴内部温度分布并不均匀，传统模型所假设的均匀温度场不能客观地反映液滴内部温度分布情况。而且在重力、静电力、表面张力作用下，直径较大的合金液滴形态不再保持标准的球形，其形状的改变也会一定程度上影响合金液滴内部的温度场。二维静电悬浮液态合金传热计算方法针对在静电悬浮条件下标准球状及非规则具有旋转对称结构形态的合金液滴，专注于合金液滴内部的传热，采用有限体积方法，获取合金内部的温度场分布及变化、温度梯度、冷却速率等信息。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种静电悬浮液态合金传热的数值计算方法，针对目前实验测定及主要传热计算，仅获取规则合金液滴质点温度的局限，采用二维静电悬浮液态合金传热数值计算方法获得规则及非规则具有旋转对称结构形态的合金液滴内部具体温度分布及变化情况，提供更为丰富的传热信息。

技术方案

一种静电悬浮液态合金传热的数值计算方法，其特征在于：在静电悬浮条件下规则和非规则具有旋转对称结构形态合金液滴的传热计算步骤如下：

步骤1、传热控制方程和边界热交换条件：