阅读说明：本技术 一种铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法 (Bubble movement and mass transfer numerical simulation method for aluminum melt dehydrogenation ) 是由 高桂丽 曹荣贺 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法,涉及铝熔体技术领域；它的方法如下：在扩散传质理论及Rayleigh方程基础上,以旋转及超声场同时作用下流体中的净化气泡为研究对象,在考虑basset力情况下得出气泡运动传质模型,利用MATLAB数值分析手段得出复合场中对净化气泡瞬态运动及传质的主要影响因素,同时利用水模拟进行实验验证,本发明利用VOF可以对气泡运动过程的流场进行分析,通过该过程中净化气泡周围速度势、压力场及气泡形态的变化分析旋转及超声作用的影响；利用多相流模型可以对液相中的气含率进行分析。(The invention discloses a bubble movement and mass transfer numerical simulation method for aluminum melt dehydrogenation, and relates to the technical field of aluminum melts; the method comprises the following steps: on the basis of a diffusion mass transfer theory and a Rayleigh equation, purified bubbles in fluid under the simultaneous action of a rotating field and an ultrasonic field are taken as research objects, a bubble motion mass transfer model is obtained under the condition of considering the basset force, main influence factors on transient motion and mass transfer of the purified bubbles in a composite field are obtained by using an MATLAB numerical analysis means, and meanwhile, experimental verification is carried out by using water simulation; the gas content in the liquid phase can be analyzed by using a multiphase flow model.)

一种铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法

技术领域

本发明属于铝熔体技术领域，具体涉及旋转场和超声复合作用下铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法。

背景技术

近年来，铝及其合金因其密度小、强度高、可成形性等优良性能而被广泛应用于电工材料、航空航天材料、高速列车底架、汽车车身等领域，与其相关的铝生产和消耗随着产业规模的扩大而剧增，但铝及其合金在实际生产过程中，极易与空气中的水蒸气反应进而产生氢气，同时熔体与炉衬中的氧化物产生置换反应形成夹杂物，而这些气体及杂质在铸件凝固过程中形成气孔，白点，疏松等缺陷，此外氢含量过高时还会产生第二类氢脆，影响铸件的机械性能，铸造性能等，这对于铝材的性能有着严苛要求的场合会带来致命后果，因为它不但破坏了铝材内部的连续性，而且使得铝材的有效截面积减少，在使用过程中这些气孔极易成为裂纹源。为此要获得高质量的产品就必须提高铝熔体的纯净度。净化技术是获得高质量铝熔体的关键。并且，铝熔体中的夹杂与氢之间存在相互制约的关系，在不能保证夹杂完全除尽的情况下，除气是进行净化的最直接方法，而净化技术的进步有赖于净化理论发展，因此研究铝熔体除气净化过程机理非常重要。

目前，铝熔体中除气净化方法中，应用最为广泛的是气泡浮游法中的旋转吹气法，由于其操作简便，除气效果好，没有精炼剂带来的污染危害，而得到了广泛应用，无论是净化设备及方法都得到深入研究。但是，吹气法除氢只能将熔体中的氢除到有限的程度，在旋转吹气净化过程中，导入气体的纯度及其性质，气泡在铝合金熔体中的均匀性、滞留时间及大小等因素是除气效果的决定因素。已知当旋转喷头转速逐步增大时，气泡被旋转产生的剪切力破碎为更细小的气泡气泡分布越均匀，越微小，上浮速度越慢，和熔体接触时间越长，除气越有效果，但过大的转速会导致卷气和夹杂等缺陷，还会阻碍气泡的均匀分布，这严重限制了净化效率的提高。若想进一步提高除气净化效率，就要促进气液两相间氢的扩散过程，有必要研究新的除气净化技术。而功率超声作为一种新型清洁能源，由于其能够细化晶粒，改善铝熔体性能，且对除杂具有明显效果，能够促进两相间传质而受到广泛关注。但是，受超声功率的限制，其作用范围小，不能应用于大批量生产，使其只能应用于实验研究过程。由此不难看出，单一净化方法存在作用效果各不相同，若想进一步提高铝熔体净化效率及质量，研究复合式除气净化方法非常必要。

国内外研究现状及分析：

1.除杂方法及设备研究现状：净化铝合金熔体的方法的分类标准很多，目前较常见的分类是按照各个方法的工作原理分为三类，分别为吸附净化法、非吸附净化法和复合净化法。

1.1.吸附净化法：吸附净化是指依靠吸附剂与熔体中的气、固态杂质发生直接的物理、化学或者机械结合的作用，以达到净化铝熔体目标的方式，是比较成熟且使用广泛的铝合金熔体净化方法，主要包括吹气法、熔剂法、过滤法等。

吹气净化法，也称气泡浮游法，已发展出单管吹气法、多孔喷头吹气法、固定喷吹法和旋转喷吹法等。其中，近年来被认为除气效果较好的是旋转喷吹技术，针对其喷头结构的研究和改进成果较多。国外代表性的，主要有SNIF法、ALPUR法、MINT法、RDU法和LARS法转子等；国内，蒋海燕等提出了脉冲进气旋转喷吹技术，可获得比普通旋转喷吹更小的气泡，并且在增加气体流量或提高转子转速时，能延长液面出现漩涡的滞后时间，苏志付等研制出了上下双层喷头转子。同时，为了持续提高除气效率，也有研究者进行了水模拟和计算机模拟熔体内部流场、气泡运动和除气过程等，对转子结构和工艺参数优化具有一定的参考意义。同时，因旋转喷吹气泡尺寸很难再减小的问题，WURZ等研制了一种新型喷雾化净化设备。加拿大STAS 公司设计了两种多喷嘴旋转除气结构，即箱式和流槽式在线除气装置，根据铝水流速的不同，常含有2-3个喷嘴，通入Ar后，能够高效去除铝熔体中的碱(土)金属、氢及夹杂物。

熔剂法是指在铝熔体精炼时，将固态精炼熔剂加入到熔池内部，通过一系列的物理化学作用，达到去除气体、固态夹杂物、杂质元素的目的。近年来出现了熔剂喷射和旋转喷射的新方法，可提高熔剂的净化效果，但设备管路易堵塞。此后，韩建德等提出了一种新型熔剂净化设备，解决了上述问题。同时，为了环保和满足多种熔体处理要求，多功能、环保型复合熔剂的研究是热点，如陈发勤的NUC系列复合熔剂和唐小龙的新型稀土复合熔剂等，其试验净化效果都较好。曾建明等提出利用压力差把熔剂喷射进熔体中，与熔体充分均匀混合，以实现高效净化的熔剂加入新技术，实验证明其净化效果显著。同时，对电渣重熔技术净化铝熔体的研究也逐渐增多，该技术被认为净化效果明显。

过滤净化法是指让铝熔体通过中性或活性过滤介质，以分离出熔体中悬浮的固态夹杂物。当前，泡沫陶瓷过滤器出色的过滤效果已受到大多数研究者或工程技术人员的肯定，其可过滤掉20微米以下的细微杂质，更能滤掉一般极难滤掉的液态熔剂类杂质。赛莱克特公司、维苏威公司以及福州麦特新高温材料有限公司的陶瓷过滤板生产技术先进，产品性能优良。尹志东研制出一种采用多层梯度过滤级数泡沫陶瓷的离心过滤装置，其过滤流量可达200kg/min，可满足生产线大流量需求。G. P. Martins等人研究了泡沫陶瓷过滤器内金属熔体与夹杂物颗粒的交互作用。通过对熔体的液相表面张力及夹杂物穿透液膜的临界速度进行研究，得出夹杂物能否被过滤器表面吸附很大程度上取决于金属熔体液相的表面力。近些年来一些研究人员提出了一种提高泡沫陶瓷过滤能力的新方法，在电磁场作用下使金属液能顺利通过泡沫陶瓷过滤器，实验证明金属液流过泡沫陶瓷过滤器时，施加电磁洛仑兹力能使金属液在 80ppi的过滤器中“引流启动”，且压降等于或低于金属液通过30ppi 时的压降。最后，采用同一过滤方式、不同过滤级数的过滤组合，不同过滤方式的组合和孔梯度过滤器等为代表的多级组合过滤将是未来高效过滤净化技术的发展方向。

1.2.非吸附净化法：

非吸附净化是指直接通过如超声波、抽真空、密度差等某些物理作用，改变铝－气体和铝－夹杂物两种系统的平衡状态，使气、固态杂质从熔体中分离的净化方法，主要包括真空净化、超声波净化、电磁净化等。

真空净化技术的主要理论依据是西华特定律，被认为是降低铝合金中氢含量最有效的方法，有静态和动态真空净化两种。静态法除气效率较低；而动态法通过熔体流动，加速熔体内传质，以提高除气效率。有关试验证实，5min动态除气的效果优于20min的静态除气效果。但该类技术仍有设备复杂、投入大和处理能力低等问题。因此，ZENGJM 等研发了一种新型抽真空除气装置，在抽吸头中产生真空状态，无真空室，且能使 100gAl熔体中氢含量低至0.1mL。

超声波净化是一种绿色、快速的铝合金净化手段，其研究最早始于前苏联。20世纪30年代，在研究超声波对液体和低熔点熔体作用时，发现超声振动有除气的作用。早期由于受技术、材料等制约，超声波净化研究主要集中于低熔点熔体。进入20世纪90年代，国内外对熔点较高的镁、铝合金超声除气的研究开始逐渐增多。在净化原理方面，研究者认为其除气机理与超声空化作用有关。近年来，不同工艺参数对超声除气影响的研究比较普遍，主要结论有：超声振动对小体积熔体除气效果更佳，超声功率和作用时间是除气好坏的关键因素，以及工艺参数应促进声空化泡的产生和存在等；李晓谦等认为超声频率越低越利于除气。在新型超声净化技术的研究上，LIJW等提出在超声除气装置中引入底部强冷的新技术；国外，则已开始关注超声净化与其他种类的净化结合的复合净化技术的研究。

电磁净化技术是一种正在快速发展的高效去除液态金属中非金属夹杂的材料加工新技术，其除杂原理是电磁分离现象。近年来，电磁净化技术已成为研究热点。在理论研究领域，TERADAT等对铝熔体在超导磁场中的杂质分离情况进行了理论计算并通过试验验证了计算准确性。值得一提的是，研究者对不同电磁场中工艺参数对除杂影响的研究较多，程晓敏等、GUOQT等分别在恒稳磁场与直流电场、高频磁场中采用不同参数组合进行净化试验，都取得了较明显的净化效果。在计算机模拟方面，AFSHARMR等对恒稳磁场正交直流电流环境中熔体电磁净化过程进行了模拟，同时通过试验证明了模拟最优参数的准确性。最近涌现出一种新型的净化技术，在线电磁净化技术属于炉外在线过滤的一种因铝熔体导电，而氧化铝不导电，在电磁场的作用下，铝熔体有偏向一方、排挤氧化铝偏向另一方的趋势，使氧化铝偏聚而被推向吸附的陶瓷管，从而实现铝熔体的净化。

1.3.复合净化法：

复合净化主要是指同时使用两种或两种以上的净化技术，并通过各类技术的优势互补，使铝熔体净化效果与效率明显提高的净化新方法。目前，主要包括复合除气以及除气－过滤复合净化等。

当前，国外在复合除气方面主要的研究方向和热点是以超声波净化为基础与其他方法相结合的复合除气技术。XUHB等研究了超声振动和真空复合净化的效果，发现此类技术能显著提高除气效率，且真空度不太大时，除气效率仍较高。HAGHAYEGHIR等则将吹气法与超声除气相结合，研制出了一种吹氩气增强超声波除气效果的新型复合除气设备，能有效解决超声波除气不能处理大容量熔体的问题。PUGAH等研制了一种低频机械振动增强超声除气的新装置，通过低频机械振动对熔体起搅拌作用，可在不增加处理时间的情况下最大限度降低合金中的气孔率。除气－过滤复合净化法，是一种成熟的复合净化技术，具有除气与除杂的双重作用，已经在世界主要铝及铝合金生产企业获得了较广泛的应用。当前，除气－过滤复合净化装置普遍应用于在线的、连续式净化中，常用的组合方式一般以二级除气和多级梯度过滤为主。在除气方面，主要是吹气法，其中以多孔头喷吹和旋转喷吹为主体。而过滤技术，则以熔剂过滤和不同材质的过滤器梯度过滤为主，过滤器普遍采用泡沫陶瓷过滤器。

可以预见的是，多功能复合熔剂及其加入技术、超声波净化、电磁净化和复合净化方法将是未来一段时间铝合金熔体净化的研究重点与热点。简便、高效、廉价、无污染的净化技术和装置的开发是铝合金净化技术总的发展趋势。

2.气泡运动方程及传质研究现状：

旋转作用下气泡运动特性研究现状：旋转喷吹法主要通过转子搅拌作用在流体中产生旋转场，大量相关文献已经证明旋流场对气泡的运动影响巨大，而气泡运动过程中会影响其在熔体中除气的效率。郭烈锦编著的两相与多相流动力学书籍中分析了颗粒的在不同相中的受力情况。曹仲文等人分析了旋转场中分散相颗粒的径向受力情况，并通过牛顿第二定律确定了该过程中微粒的运动方程。李雪斌等人分析了颗粒在液相中的横向受力情况，而田恒斗等人分析了气泡在液体中轴向的受力情况，以上等文献研究方法为研究旋转吹气条件下的气泡受力情况提供了思路。

传质研究现状：向铝熔体中通入惰性气体除氢的原理是：气泡中氢的初压力为零，在气泡和铝液的界面上有氢的压差，使得溶于铝液中的氢不断吸入到气泡中，这一吸入过程直至气泡中氢的压力和铝液中氢的压力相等时才会停止。气泡上浮出液面后，气泡中的氢气即逸出而进入大气中。

为了提高除气效率，应尽可能的增加气泡的数量，减小气泡的直径，延长气泡在铝液中上浮的路程，而旋转喷吹法能有效增强以上目标，故旋转喷吹法除氢效果较好。根据氢分压理论可以定性分析出熔体净化过程的影响条件，但不能直接反应净化效果，要进一步提高旋转吹气过程的净化速率，就要对该过程进行定量分析，得到确定的影响参数。

功率超声除气净化机理主要超声空化机理，利用超声场作用下产生的超声空化泡的空化作用及超声的直接作用改变铝熔体内部的压强场及温度场，从而影响熔体内部传质的进行。赵之平通过双膜模型，介绍了超声空化的四大效应（机械效应，热效应，光效应和活化效应）对传质的促进作用。王捷等人采用数值分析方法分析了空化气泡的运动过程，结果显示气泡尺寸超过一定大小之后会迅速崩溃。H. Puga将超声与金属液搅动进行结合，应用水模拟试验，在容器的不同方位对超声压进行监测。试验结果表明，将两种方法进行结合后，合金材料的除气效果得到了明显提升，材料性能可以得到改善。

发明内容

为解决现有技术的问题；本发明的目的在于提供一种铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法。

本发明的一种铝熔体除氢的气泡运动及传质数值模拟的方法，它的方法如下：在扩散传质理论及Rayleigh方程基础上，以旋转及超声场同时作用下流体中的净化气泡为研究对象，在考虑basset力情况下得出气泡运动传质模型，利用MATLAB数值分析手段得出复合场中对净化气泡瞬态运动及传质的主要影响因素，同时利用水模拟进行实验验证，具体方法如下：

一、分析复合场作用下的惰性气泡运动过程中的传质，分析流场中净化气泡的主要受力，建立复合场中净化气泡瞬态运动及传质方程，建立相应的数学耦合模型；

二、利用MATLAB中的龙格库塔方法进行数值计算，研究净化气泡运动轨迹、半径变化与时间的关系及传质变化曲线，并与单一旋转条件下进行对比分析；

三、在数值分析基础上，应用水模拟方法对以上计算结果进行实验验证，确定复合式净化方法的最优工艺参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

利用VOF可以对气泡运动过程的流场进行分析，通过该过程中净化气泡周围速度势、压力场及气泡形态的变化分析旋转及超声作用的影响；利用多相流模型可以对液相中的气含率进行分析。利用MATLAB进行数值计算可以直接得到净化气泡半径、气泡周围压力场关于时间的变化曲线，进一步分析气泡运动过程中传质的变化情况。

具体实施方式

本具体实施方式采用以下技术方案：

因为20 ℃条件下的水和730 ℃状态下的铝合金熔体的动力粘度近似相等，所以二者之间符合运动相似，几何相似和动力相似的三角相似法则，故本课题采用水模拟实验：向水中通入过饱和的氧气模拟铝熔体中溶解的氢，通入惰性气体来模拟气泡除氢的过程。用溶氧仪测量净化后的水中氧的浓度，从而确定净化效果。在通入惰性气体的同时，通过高速摄像机观察气泡运动的轨迹及气泡分布情况，最后与数值计算结果进行对比。

实验方案如下：

1.实验设备：旋转喷吹装置系统、超声设备、高速摄像机、溶氧仪及数据采集软件；

2.实验参数：主要影响参数为旋转喷头转速、除气时间、气流量、超声功率；

实验参数如下表：

表1 旋转喷吹赋值表

表2超声赋值表

旋转喷吹正交实验方案如表3：

表3 旋转喷吹正交实验表

超声除气正交试验方案如表4：

表4超声波除气工艺正交实验表

复合除气正交实验方案如表5：

表5 复合除气正交实验表

本实施例基于VOF计算方法的流场模拟，主要应用软件为Fluent，OpenFOAM等，基于龙格库塔计算方法的MATLAB数值分析。利用VOF可以对气泡运动过程的流场进行分析，通过该过程中净化气泡周围速度势、压力场及气泡形态的变化分析旋转及超声作用的影响；利用多相流模型可以对液相中的气含率进行分析。利用MATLAB进行数值计算可以直接得到净化气泡半径、气泡周围压力场关于时间的变化曲线，进一步分析气泡运动过程中传质的变化情况。

而复合式除气净化，不是简单的方法组合，若想提高铝熔体净化效率，就要从机理上进行研究。为此，综合利用旋转吹气法及功率超声净化的优越性，提出基于旋转吹气及功率超声复合式铝熔体净化方法。该种方法主要是通过净化气泡对铝熔体进行净化，通过超声作用促进熔体中的氢由液相向气相的扩散过程，其中气泡尺寸、气泡分布情况等对净化效果有很大影响。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。