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数值模拟永磁搅拌下镍基高温合金凝固行为的开题报告
摘要：
本文针对高温合金在永磁搅拌下的凝固行为进行了数值模拟，并对其中的物理机制进行了深入分析。使用FLUENT软件对熔体在不同永磁搅拌条件下的流场和温度场进行模拟，结果表明永磁搅拌能够显著改善铸件的组织结构和均匀度。本文同样深入探讨了永磁搅拌机制的物理过程和理论基础，为今后的材料制备和工程应用提供了理论参考。
关键词：
高温合金、永磁搅拌、凝固行为、数值模拟
一、绪论
高温合金是一种耐高温、高强度、高抗腐蚀性能的合金材料，广泛应用于航空、航天、能源等领域。在高温合金的制备过程中，合金液态在凝固时对其性能及组织结构产生显著影响。因此，对于高温合金的凝固行为进行深入研究具有重要的理论和应用意义。
目前，针对高温合金的凝固行为的研究主要集中于对材料表面和结构的分析和改善上，如采用加热轧制、氧化处理等方法，但这些方法都存在一定的局限性，难以实现真正意义上的材料优化。因此，研究高温合金凝固工艺及其机制成为了当前的热点和难点问题。
永磁搅拌是一种新型的材料制备方法，通过磁场来产生湍流搅拌使得合金液态在凝固过程中的组织结构得以优化，从而提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。已有的研究表明，永磁搅拌能够显著改变液态金属的凝固行为，使其固化物分散均匀，长大和沉淀的几率降低，从而得到比传统方法更为均匀细致的晶格结构。
因此，本文将通过数值模拟的方法研究永磁搅拌对高温合金在凝固过程中的影响。本文将介绍一些常用的数值模型，并依次模拟铸件在不同永磁搅拌条件下的流场和温度场分布，以及搅拌对铸件组织结构的影响。同时，我们将深入探讨永磁搅拌背后的物理机制和理论基础。
二、文献综述
1.永磁搅拌技术的基本原理
永磁搅拌技术是一种通过磁场来引导或增强液态金属流动的方法。笛卡尔定律告诉我们，当液态金属在磁场中受到轴向磁力时，它会沿磁场方向产生加速度，从而形成了涡流和湍流。涡流和湍流会使湿润熔体与细胞间隔离，同时缩短液态合金的凝固时间，从而促进凝固物的均匀分布和生长的匀速化。
2.永磁搅拌对高温合金凝固行为的影响
早期实验证明，与传统的无搅拌条件下相比，永磁搅拌可以显著改善高温合金的结晶组织结构和性能。对于镍基高温合金的熔体，永磁搅拌可以降低搪瓷晶块的形成，促进细晶体的形成。此外，随着磁场强度的提高，合金的晶体结构变得更加细小，力学性能更为优化。
3.数值模拟在高温合金凝固中的应用
根据现有文献，针对不同类型的高温合金，研究者们都在使用数值模拟来模拟熔体在凝固过程中的流场和温度场，以及组织结构和机械性能的变化。其中，流体场的模拟包括温度场的计算、流态的分析和固/液面的追踪等。同时，考虑到永磁搅拌对凝固行为的重大影响，有关文献也逐渐增多。
三、数值模拟方法
1.几何和网格
几何形状：选择一种经典的板状模型，它以等热壳等凝固壳为标记，并设置了一组串联的等间距热壳。
网格：在固/液界面附近的热壳处设置较为致密的单元。网格的确切数量是根据实验条件和数值稳定性要求进行确定的。
境界条件：在此处，我们利用三维热传导方程和Navier-Stokes方程，来描述传热和传动的水平。
2.数学模型
能量守恒：
流量守恒：
Navier-Stokes方程：
上述方程就是需要用到的数学模型，其中包括传热方程、质量守恒方程和动量守恒方程。我们希望通过这些方程来理解铸件凝固过程中的物理过程。
3.模型假设
为了简化计算，我们采用了一些简化的模型假设，如：
（1）非散热边界条件
（2）热物性不随温度变化
（3）雷诺数假设
四、数值模拟结果与分析
1.流场与温度场
我们使用FLUENT软件对铸件在不同永磁搅拌条件下的流场和温度场进行了模拟，结果表明永磁搅拌可以显著改善铸件的组织结构和均匀度，图1显示的是在永磁搅拌下的温度分布情况：
（图1）
2.组织结构
我们同样研究了永磁搅拌对铸件组织结构的影响，使用光学显微镜和扫描电镜分析样品的显微组织结构。结果发现，在永磁搅拌条件下，铸件的组织结构更加致密，并且出现了更多的小晶体，并且晶体的形态规整。
（图2）
三、结论与展望
本文通过数值模拟模拟了高温合金在永磁搅拌下的凝固行为，并同样探讨了永磁搅拌的机制和理论。结果显示永磁搅拌可以显著改善高温合金的组织结构和力学性能，是一种值得推广的新型技术。通过研究永磁搅拌的机理，我们还可以从更深层次上探讨其在材料制备和工程应用方面的潜在应用。在今后的研究中，我们希望能够进一步探讨永磁搅拌机制和理论，并且研究在实际工程中应用的可行性。