基于多孔介质的半固态镁合金流变铸轧数值模拟

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镁合金半固态流变铸轧集制浆、铸轧、成形于一体,在缩短加工流程降低生产成本的同时,大大扩展了镁合金板材加工的范围并提高了质量,由于半固态流变铸轧的独特性质,其传热过程的现象十分复杂,加之其铸轧试验工程量巨大,因此,建立合理的物性模型进行热流场的数值模拟分析,对研究镁合金流变铸轧有十分重要的意义。本文以常规流体模型为参照,创新性地采用多孔介质模型来描述半固态镁合金的固液共存的物理形态,并根据多孔介质传热和渗流基本定理,运用数值模拟软件FLUENT,对不同工艺参数条件下半固态镁合金流变铸轧进行模拟,本文的主要工作和成果如下:1)引入体积平均理论和描述渗流的Darcy定律,在假设多孔介质在相变传热传质过程中各质点处于局部热力学平衡,建立了多孔介质的三守恒方程,采用热焓法处理凝固潜热,采用carreau模型处理合金的表观粘度。将数学模型与FLUENT中相应的凝固模型、多孔介质模型和自定义函数这几个计算模型结合起来进行计算模拟。2)经过模拟对比以及试验验证,在以轧辊转速10r/min且浇铸入口定温、自由出口边界、当量综合对流换热系数的条件下,为保证AZ91D镁合金板材在出口处刚好凝固而不会造成铸轧不成形(出口合金处仍为液态)或者铸轧中断(在出口前以完全凝固),最佳浇铸温度为840K。3)在相同模拟条件下,采用多孔介质模型和常规流体模型进行镁合金流变过程模拟的结果不同。随浇铸温度的增加,基于多孔介质模型的模拟结果与常规流体的模拟结果差别越来越小。浇铸温度低(合金固相率大于0.6)时,两种模型的结果相差较大,高浇铸温度(固相率小于0.4)时,两种模型相差甚微。4)多孔介质模型下,熔体与轧辊接触区域有较明显温降,铸轧区出口区域温差较常规流体模型的温差小,更符合高固相率(f>0.4)时熔体流动性差的实际情形,并且通过试验验证,多孔介质模型进行模拟的结果真实、准确。
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