凝固过程的传热.ppt

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1、金属凝固原理第一章凝固过程的传热1前言2前言3前言4前言5前言6前言7前言8前言9前言10前言11前言12前言13前言14前言15前言16前言17§1-1凝固过程的传热特点凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的，高温的液体金属浇入温度较低的铸型时，金属所含的热量通过液体金属、巳凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出；从另一个角度考察，在凝固过程中，金属和铸型系统内发生热的传导、对流和辐射。图1-1是纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图。18§1-1凝固过程的传热特点19§1-1凝固过程的传热特点凝固过程的传热有如下一些特点：简单地说：一热、二迁、三传。

2、首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。20§1-1凝固过程的传热特点一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。21§1-1凝固过程的传热特点在实际

3、生产中，铸件形状和材料种类的多样性以及材料热物性值随温度非线性变化的特点，也都使凝固的传热过程变得十分复杂。22§1-1凝固过程的传热特点传热有热源的非稳态传热过程，导热微分方程为：23§1-1凝固过程的传热特点24方程(1-1)是均质、各向同性体的传导微分方程，它表示热传导过程的能量守恒原理。事实上，方程左侧括弧内各项，是热流密度（单位时间、单位面积上通过的热量）在x，y和z坐标上的分量，如,因此，方程前三项即是热流密度在x、y和z轴单位长度上的增量，综合这三项就是单位体积上的热流密度的增量，而方程的右端项，则是单位体积的物体在单位时间内增加的内能。§1-1凝固

4、过程的传热特点其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。如一个从宏观上看是一维传热的单相凝固的金属，当其固液界面是凹凸不平的或生长为枝晶状时，在这个凝固前沿上，热总是沿垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相，因而发生微观的三维传热现象。在这个微观区域，除了与界面垂直的热传导外，同时发生液相的对流，使这里的传热过程十分复杂。25§1-1凝固过程的传热特点在金属与铸型的界面，由于它们的接触通常不是完全的，所以它们之间存在接触热阻或称界面热阻，在金属凝固过程中，由于金属的收缩和铸型膨胀，它们的接触情

5、况也不断地在变化，在一定的条件下，它们之间会形成一个间隙（也称气隙），所以，在这里的传热也不只是一种简单的传导，而同时存在微观的对流和辐射传热，如图1-2所示。26§1-1凝固过程的传热特点27§1-1凝固过程的传热特点在凝固问题的研究中，计算动态系统各点温度时间的变化即温度场和计算凝固速度是非常重要的，因为它们直接影响金属的结晶组织、铸件的缩孔，缩松，应力状态及许多重要的使用性能，人们已进行了很多计算温度场和凝固速度的研究，解决的途径有解析法和非解析法。其中解析法常受这样的限制：即使是一维传热的简单铸件，只要涉及凝固过程，就必须作一系列假定才能求解，而且计算过程

6、也过于繁杂，至于形状复杂的俦件，根本无法计算。28§1-1凝固过程的传热特点非解析法有图解法、电模拟法和数值模拟法等，自从电子计算机问世以来，数值模拟法得到了迅速的发展。主导方程(1-1)是均质、各向同性体的传导微分方程，它表示热传导过程的能量守恒原理。29§1-1凝固过程的传热特点在凝固过程中，如果不计液体金属的热阻，金属的凝固速度主要受如下三种热阻的控制：30§1-1凝固过程的传热特点在金属型铸造、压铸或连续铸造中，通常界面热阻Ri值远大金属和铸型热阻，因此采用准确的hi值，是取得准确结果的关键。严格地说，hi值是随凝固时间而变化的，但是其值只是在浇注初期有较

7、大幅度的变化，此后较为平稳，所以常以常数处理。31§1-2非金属型铸造的凝固传热非金属型的特点是，与浇注于其中的金属相比具有非常小的导热系数，因此，金属的凝固速度主要决定于铸型的传热性能，而很少受金属传热性质的影响。由于铸型的导热能力差，在金属凝固的全过程中，铸型外表面的温度变化不大，所以可以将铸型看作是半无限厚的。下面分析一个无限大平板在这种铸型中凝固的情况。浇注的金属假定为纯金属，浇注温度取为其熔点，即金属无过热度，这时，金属-铸型系统的温度分布如图1-3所示。32§1-2非金属型铸造的凝固传热33§1-2非金属型铸造的凝固传热于是，求温度场的问题简化成了求一

8、维偏微分方