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围绕椭圆柱热源的定热流接触熔化研究

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摘 要 ：对第二类热边界条件下的接触熔化问题进行研 究 ， 针对水 平椭 圆柱 热源， 建立 了定热流接 触熔 化模
型 。 用 Ｎｕｓｌ液膜 理 论 建 立熔 化控 制方 程 ， 运 ｓｅ ｔ 通过 理 论 分 析 ， 到 了无 量 纲 熔 化 方 程 组 对接 触 熔 化 速 度 ， 得 熔 化 液 膜 厚度 和 压 力 分 布 等 参 数 的 变 化 规 律 进 行讨 论 ， 与 温 差熔 化 结 果 进 行 比 较 ， 究 第 二 类 热 边 界 条 件 下 并 研 的接 触熔 化规 律 。 结果 表 明 ： 触熔 化速 度 随 热源 施 加 的 热流 密度 呈 类线 性 变 化 ； 化速 度 随热 源 表 面 压 缩 系 接 熔
第３ 期
赵元 松 等 ： 围绕椭 圆柱 热源 的定热流 接 触熔 化研 究
上 半 径分 别为 ａ和ｂ 椭 圆压缩 系数 为 ‘（ ， ， — ｂ ａ ／）
的水 平 椭 圆 柱 热 源 ， 面 热 流 密 度 为 ｑ 。 源 底 壁 热
第 ９卷第 ３期 ２ １ 年 ９月 ００
热 科 学 与 技 术
Ｊ ｒ ａ ｆＴｈ ｒ ｌＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏｕ ｎ ｌｏ ｅ ｍａ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ
Ｖｏ ． ｏ３ １ ９ ＮＯ Ｓｐ ２ １ ｅ． ０ ０
文 章编 号 ：１ ７ － ０ ７ ２ １ ） ３ ０ ０ — ６ ６ １８ ９ （ ０ ０ ０ － ２ ６ ０
流体流 动的连 续 、 动量 和能 量守恒 方程 。 以往 的 在
研究中， 求解能量 守恒方 程 时 ， 般假 定 固 一 一 液界 面 上的温 度 ， 以此作 为热 边界条 件 ， 出的结果 主 得 要适用 于第一类 热边 界条 件的 问题 。 平 板［ 、 如 ８ 圆 ＝
柱［ Ｄ以及椭 圆柱ｎ ９］ 等 热 源 的 接 触 熔 化 理 论
示。 固体 Ｐ Ｍ 的初 始温 度均匀 为 。 坐标 轴 Ｃ Ｘ、
收 藕 日期 ：２ １ － ５ ２ ； 修 回 日期 ：２ １ — ７ １ ． ０ ００ — ５ ０ ００ — ８ 基金 项 目 ：国家 自然科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ７ ０４ ５ ３ ６ ７ ）． 作 者 简 介 ：赵 元 松 （９ １）男 ， 士 ， 程 师 ， 要 研 究方 向为 变 相传 热 、 力 系 统 标 准 化． — ｉ ｚａ ｙ ａ ｓｎ ＠ ｓｈ ．ｏ １８ 一 ， 博 工 主 动 Ｅｍａｌ ｈ ｏ ｕ ｎｏ ｇ ｏ ｕ ｃｍ ：
问题 ， 立 了熔化控 制方 程并进 行理论 求解 ， 建 分析 了熔化 速度 ， 化 液 膜 厚度 和 压力 分 布 等参 数 的 熔
变 化规律 ， 与温差熔 化结果 进行 比较 ， 并 研究 了边
界条 件对熔 化 的影响 。
研 究都假 定热 源表 面温 度 恒 定 。 分 析 得 到 的结 从 果 看 ， 化速度 ， 熔 液膜厚 度分 布等参 数都 表示 为温
数 Ｊ 的增 加 而 增 大 ， Ｊ＝ ｌ时椭 圆柱 热 源 的熔 化 结果 适 用 于 圆柱 热 源 ， ． ０ １时 ， 圆柱 热源 可 按 平 板 当 当 ，＝ ． 椭
热源 近 似 。
关键 词 ： 接触熔 化 ； 热 ； 传 相变 ； 圆柱 椭
中图分类号 ： ＴＫ１ ４ ２ 文献标 识码 ： Ａ
化 的核废 料衰 变热 量使 岩 石 熔化 ； 钻熔 化 冻 土 热 的能 量 由其 内部加 热器 提 供 ， 化 的 控制 通 过 调 熔
整加 热器 的发 热率 实现 。 于温 差模 型用 于 分析 由
பைடு நூலகம்
术 热 能储存 系统 、 引、 。 焊接嘲 和地 质勘 探嘲 等
方面 。 触熔 化 研 究 在 工 程 上 具 有 重 要 意 义 ， 接 自 ２ 世 纪 ８ 年代 以来 ， Ｏ Ｏ 针对 不 同工况 下 的接 触熔化 问题 己有 了大量 研 究 ［ ］ 接 触 熔 化 理论 分 析 主 １ 。 要基 于 Ｎｕ ｓｌ 理论 ， 化 控 制 方 程 为 液膜 层 内 ｓｅｔ 熔
１ 熔 化 模 型 与 方 程
椭 圆柱 热 源 在 固体 相 变 材 料 （ ｈ ｓ—ｈ ｎ ｅ ｐ ａｅｃ ａ ｇ
ｍａｅｉ ， Ｃ ｔｒ ｌＰ Ｍ）中 自由熔 化的物理 模 型如 图 １所 ａ
差 （ ｔ） Ｓｅ 的函数 ， 将这 种分析 模 型称为 温差接触 故
熔化 。 而 ， 然 在实 际工 程 中的许 多 接 触熔 化过 程 ，
第 二类 热边 界 条 件 下 的 接 触 熔 化 问题 时 很 不 方
便， 本文 建 立定 热 流熔 化 分 析模 型 ， 用 Ｎｕ ｓｌ 运 ｓｅｔ 液膜 理论 对熔 化过 程 进行 理 论 分析 ， 研究 了定 热 流熔 化规 律 。 本 文研 究 围绕 定 热流椭 圆柱热 源的接 触熔化
０ 引
言
热源表 面热 流密度 确定 ， 而温度 不确定 ， 于第二 属 类 热边 界条 件 问题 。 比如 ： 废料 自埋 过 程 中， 核 固
接触熔 化 （ｏ ｔｃ ｍｅｔ ｇ ｃ ｎａｔ ｌ ｎ ）指 热源 与 固体相 ｉ
变材 料紧 密“ 接触 ” 发生 的熔 化 现 象Ⅲ ， 泛存 而 广 在 于 自然 界 和 许 多 生 产 技 术 过 程 中， 如 核 技 例
Ｄ Ｉ １ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ７ — ０ ７ ２ １ ． ３ ０ ４ Ｏ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ． ６ １８ ９ ． ０ ０ ０ ． ０ ｓ
围绕 椭 圆柱 热 源 的定 热 流 接 触 熔 化 研 究
赵 元 松 余 林 刚 陈 文 振 ， ，
（ ． 军 装备 研 究 院 ，上 海 ２０ ３ ； １海 ０ ３ ５ ２ 海 军 工 程 大 学 船舶 － ． ９动力 学院 ，湖 北 武 汉 ４ ０ ３ ３ ０ ３）

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交叉圆柱节点接触热阻理论和实验研究

交叉圆柱节点接触热阻理论和实验研究

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093448 交叉圆柱节点接触热阻理论和实验研究王建立，宋柏，顾明，张兴（热科学与动力工程教育部重点实验室，清华大学工程力学系，北京 100084）（电话：************，Email:********************.cn ） 摘要：本文对准稳态“T ”形法中的热线与待测线间的接触节点进行了力学和热学模型分析，在椭球坐标系下，得到了交叉圆柱间接触热阻的理论计算模型。

利用已开发的准稳态“T ”形法实验系统，测量了接触热阻随温度的变化。

发现考虑热线弯曲变形以后，利用弹性变形理论计算得到的接触热阻与实验测量结果吻合较好，且都随着温度的增加而减小。

关键词：交叉圆柱，接触热阻，准稳态“T ”形法，弯曲变形0 前 言由于材料宏观尺寸不规则以及表面粗糙度的影响，材料不可能完全接触，从而引起接触点处热流收缩。

当热流，Q ，从界面的一侧输运到另外一侧时，总会引入一个额外的接触热阻。

设两侧温差为∆T ，接触热阻可以表示为：j T R Q ∆=. (1)随着微纳米尺度传热以及量热技术的发展，接触/界面热阻将成为制约微纳米器件热输运性能的关键因素，使得相关的理论和实验研究成为目前的研究热点[1]。

由于受到表面形貌、接触材料力学、热学性能等综合因素的影响，研究复杂接触界面的热阻问题非常困难。

理论研究包括单点接触[2-8]，多点接触[6, 9]，表面形貌分析[10]，接触形变分析[10,11]等方面。

对于单点接触问题，力学和热学模型建立相对简单，在航天航空、核能利用、低温存贮等领域受到广泛关注。

根据接触面形状以及边界条件不同，单点接触又分为圆盘接触模型[6]，圆柱模型[7]，圆锥模型[8]等。

在实验研究方面，一般采用一维稳态热流法[4, 12-14]测量。

目前为止，很少关于单点接触热阻随着温度的变化关系的报道[13, 14]。

本文利用开发的准稳态“T ”形法[15, 16]，在100至300K 温度范围内，测量了交叉圆柱间节点的接触热阻。

热处理对激光选区熔化制备CX_不锈钢微观组织与性能的影响

热处理对激光选区熔化制备CX_不锈钢微观组织与性能的影响

第3期闫志航，等：电脉冲轧制6061Al电热耦合模型及电弧加热机理分析（0）为热源中心的最大通量（单位：W/m2）；C为浓度系数（单位：m-2）；r为距热源中心的径向距离（单位：m）。

q=k×S׶∆T¶d（16）式中　k是导热系数；S是接触面积；d是导热距离；∆T是温差。

高斯热源的一个变体使用以下方程拟合得到图6e的热源方程。

q(r)=qmax×e(-(a×x2+b×z2))（17）拟合结果a=31.20，b=10.90。

使用Gauss2D方程拟合图6h的热源方程：q=qmax ×e()-0.5×()x-xc w12-0.5×()y-yc w22+c（18）式中　x c=0，y c=0，w1=w2=0.05，c=35.04。

3 结论（1）当加载800 A的电流时，电脉冲辅助轧制工艺可以在两板的界面处产生温度为4 000 K或更高的电弧，但这不是稳定的焊接电弧，而是瞬时电弧，可用于铝合金板材的瞬时加热及氧化膜的去除。

当加载更高的电流时，会产生更高温度的电弧。

（2）电脉冲辅助轧制后板材表面可以形成焊点，结合本研究的模拟可得出，加载高频电流时两板间可以达到产生电弧的条件，且电弧首次产生的时间为1/4个脉冲周期，电弧呈现椭圆凹形，由上下凸起之间的间距和曲率确定。

加载更高频率的脉冲电流可以使一定时间内产生的电弧数量增加，即加热次数更多。

（3）采用切片法分别对两个方向的热源进行拟合，得到了有效的热源拟合方程。

电弧的产生也为电脉冲辅助轧制提供了新的研究方向。

参考文献：［1］　Roh J H， Seo J J， Hong S T，et al. The mechanical be‐havior of 5052-H32 aluminum alloys under a pulsedelectric current［J］. International Journal of Plasticity，2014，58：84-99.［2］　Wang X，Xu J，Shan D， et al. Modeling of thermal and mechanical behavior of a magnesium alloy AZ31 dur‐ing electrically-assisted micro-tension［J］.InternationalJournal of Plasticity，2016，85：230-257.［3］　Ren X W，Wang Z J，Fang X，et al. The plastic flowmodel in the healing process of internal microcracks inpre-deformed TC4 sheet by pulse current［J］. Materials& Design，2020，188：108428.［4］　Rahnama A，Qin R. Room temperature texturing of aus‐tenite/ferrite steel by electropulsing［J］. Scientific Re‐ports，2017，7：42732.［5］　Zhang X， Li H， Zhan M， et al. Extraordinary effect of the δ phase on the electrically-assisted deformation re‐sponses of a Ni-based superalloy［J］. Materials Charac‐terization，2018，144：597-604.［6］　Li D，Yu E，Liu Z. Microscopic mechanism and nu‐merical calculation of electroplastic effect on metal'sflow stress［J］. Materials Science and Engineering： A，2013，580：410-413.［7］　Zhang X，Li H，Zhan M， et al. Electron force-induced dislocations annihilation and regeneration of a superal‐loy through electrical in-situ transmission electron mi‐croscopy observations［J］. Journal of Materials Science& Technology，2020，36：79-83.［8］　Molotskii M， Fleurov V V. Magnetic effects in electro‐plasticity of metals［J］. Phys Rev B Condens Matter，1995，52（22）：15829-15834.［9］　Kim M J， Yoon S， Park S， et al. Elucidating the origin of electroplasticity in metallic materials［J］. AppliedMaterials Today，2020，21：100874.［10］　Yang X D， Li X H， Li Q. Discharge crater formation simulation coupled by thermo-fluid analysis of arcplasma in EDM［J］. Procedia CIRP，2020，95：232-237.［11］　Guan C， Ding J， Yao X， et al. Study on Short-circuit current interruption characteristics of Double-breakfast vacuum circuit breaker within the minimum arcingtime［J］. International Journal of Electrical Power &Energy Systems， 2023，147：108865.［12］　Wu H， Chang Y， Guan Z， et al. Arc shape and micro‐structural analysis of TIG welding with an alternatingcusp-shaped magnetic field［J］. Journal of MaterialsProcessing Technology， 2021，289：116912.［13］　Wang B， Zhu D， Ding R， et al. Simulation of arc cra‐ter formation and evolution on plasma facing materials［J］. Nuclear Materials and Energy，2021，27：100964.［14］　Zhao S， Zhang C， Zhang Y， et al. Influence of Partial Arc on Electric Field Distribution of Insulator Stringsfor Electrified Railway Catenary［J］. Energies，2019，12（17）， 3295.编辑部网址：http：//29Electric Welding MachineVol.54 No.3Mar. 2024第 54 卷 第 3 期2024 年3 月热处理对激光选区熔化制备CX 不锈钢微观组织与性能的影响陈锦伊1， 陈信豪1， 马晶晶1， 张可召1*， 冯时2， 严春妍1， 包晔峰11.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 2130222.江苏柏灵激光智能设备有限公司，江苏 常州 213022摘　要：采用激光选区熔化技术（SLM ）制备了CX 不锈钢（Corrax Stainless Steel ），并对沉积态、固溶态、固溶时效态三种条件下的CX 不锈钢进行显微组织分析和室温拉伸性能测试。

水平圆柱表面熔融硝酸盐自然对流传热规律

水平圆柱表面熔融硝酸盐自然对流传热规律

水平圆柱表面熔融硝酸盐自然对流传热规律鹿院卫;李小丽;杜文彬;孙晓丽;吴玉庭;马重芳【摘要】In order to understand natural convection heat transfer of molten nitrate, natural convection heat transfer of lithium nitrate (LiNO3) and multi-components nitrate around a horizontal cylinder with different diameters (0.1, 0.4, 1, 4, 10, 40 mm) at different medium temperatures (573, 623, 673 K) was studied by simulation. The results fitted best with the Fand’s correlation comparing with different classic correlations. After analysis of all calculated data, a simple correlation was proposed for predicting laminar natural convection heat transfer of molten nitrate around a horizontal cylinder. Compared with the natural convection experiment data of LiNO3, the proposed correlation had a maximum uncertai nty of ±20%, and the reliability of the proposed correlation was verified.%为了得到熔融硝酸盐的自然对流传热规律，对单一硝酸盐和三元混合硝酸盐分别采用6种不同直径（0.1、0.4、1、4、10、40 mm）水平圆柱体及3种不同介质温度（573、623、673 K）进行数值计算，与各经典关联式进行对比发现计算结果与Fand关联式的预测值最接近。

电子束.doc

电子束.doc

1.1电子束焊接热过程的数值模拟研究现状经过百余年的发展，焊接已经逐步发展成为一门融冶金、机械、电工电子、力学等学科为一体的独立学科，但是在长期的发展中大都依靠长期积累的生产经验来解决生产中的实际问题，这种方法不仅费时费力，而且使生产成本大大增加。

随着科技的进步，计算科学的发展，数值模拟技术正在工程实际中发挥着不可估量的作用。

一旦焊接过程中的各种现象能够采用计算机来模拟，我们就可以通过计算机来优化设计焊接各种结构和材料时的设计、工艺方法和焊接规范。

通过数值模拟来分析焊接过程，再加上少量的实验来验证数值模拟在焊接中的正确性，此后就可以通过数值模拟来选取合适的焊接规范，从而避免大量的实验工作来确定合理的焊接工艺。

因此数值模拟标志着使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”，从“经验”走向“科学”。

焊接数值模拟实际上就是通过设定合适的假设，建立简化的物理模型和控制方程，来描述焊接过程中各种复杂的现象（传热、传质、相变、应力和变形等），最终采用分析或者数值方法来求解控制方程的解，从而对焊接过程进行定量分析。

经过几十年的发展，开发出的数值解法主要有：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法等，其中有限元法是适应使用计算机而发展起来的一种比较有效的数值方法，因而在焊接数值模拟中发展和应用最为广泛。

目前，焊接数值模拟几乎已经遍及各个焊接领域，主要的研究内容有：(1)焊接热传导分析；(2)焊接熔池流体动力学；(3)电弧物理；(4)焊接冶金和焊接接头组织性能的预测；(5)焊接应力与变形；(6)焊接过程中的氢扩散；(7)激光焊、瞬态液相焊接等特殊焊接过程的数值分析；(8)焊接接头的力学行为。

焊接数值模拟中经常遇到的问题、物理现象和数值分析方法如表1-1所示[8]。

表1-1 焊接数值模拟的问题和数值方法[8]问题物理现象数值方法热源电磁差分法熔池传热与传质有限元法凝固相变数值积分法金相组织化学反应蒙特卡洛法残余应力扩散—焊接变形弹塑性，蠕变—裂缝失效—焊接结构强度断裂—1.1.1电子束焊接温度场数值模拟的研究现状焊接热过程的数值分析起源于20世纪40年代。