冰水固流转化实验研究与数值模拟

论文摘要

材料固流转化是指材料在外界环境因素作用下,由固体到流体的转变过程。其研究方法从固体力学范畴过渡到流体力学范畴,涉及传热学、工程热力学、分子动力学、流变学、凝聚态物理学等多个学科。本文分别从冰水融化、金属熔化和岩石流变破坏三个方面分析了固流转化过程机理,发现随着研究对象的多样性和所处环境的多变性,材料固流转化机理就越复杂,它是一个多场耦合响应的结果。因此,研究材料的固流转化具有重要理论意义和使用价值。本课题正是在此基础上提出的。研究中为创造一个恒温环境,本文自制了透明式恒温箱。恒温箱采用增量式数字PID技术与调压控制相结合的方式很好的稳定了温度,使得偏差不超过?1℃。在此基础上以冰为研究对象,设计了冰水固流转化实验。实验考查了温度和比面积对冰融化时间和速率的影响规律,并基于MATLAB CFTOOL工具箱拟合出适合本实验的经验公式。最后得出温度和比面积是影响冰水融化的重要因素,它们之间是以幂函数的关系影响冰水的固流转化过程。最后基于FLUENT针对冰水固流转化实验进行了数值模拟,考察了液相率和温度随时间的变化趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 材料固流转化研究现状
• 1.2.1 冰水固流转化的研究
• 1.2.2 岩石固流转化的研究
• 1.2.3 金属固流转化的研究
• 1.2.4 聚合物固流转化的研究
• 1.3 本课题的来源和主要研究工作
• 2 材料固流转化基本理论探究
• 2.1 引言
• 2.2 冰水固流转化机理
• 2.2.1 导热微分方程的推导
• 2.2.2 冰水融化模型
• 2.2.3 界面方程的推导
• 2.2.4 界面方程的无量纲化
• 2.3 金属晶体熔化机理
• 2.3.1 晶体熔化的经典热力学表述
• 2.3.2 晶格失稳准则
• 2.4 岩石流变固流转化机理
• 2.4.1 岩石宏观破坏机理
• 2.4.2 温度对岩石破坏的影响
• 2.4.3 渗流对岩石破坏的影响
• 2.4.4 解耦策略的研究
• 2.5 本章小结
• 3 冰水固流转化实验
• 3.1 实验器材
• 3.2 自制透明式恒温箱
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 箱体组成
• 3.2.3 恒温控制系统
• 3.2.4 试验箱的调试
• 3.3 实验研究内容与步骤
• 3.4 实验方案
• 3.5 结果数据
• 3.6 MATLAB CFTOOL工具箱
• 3.6.1 MATLAB CFTOOL工具箱拟合原理
• 3.6.2 MATLAB CFTOOL工具箱拟合步骤
• 3.7 结果分析
• 3.7.1 实验一分析结果
• 3.7.2 实验二分析结果
• 3.7.3 实验三分析结果
• 3.7.4 实验一与实验二对比分析结果
• 3.8 本章小结
• 4 基于FLUENT冰水固流转化数值模拟
• 4.1 FLUENT软件介绍
• 4.1.1 FLUENT功能模块
• 4.1.2 FLUENT软件数值计算原理
• 4.1.3 FLUENT软件融化/凝固模型
• 4.1.4 FLUENT分析过程
• 4.2 基于FLUENT融化/凝固模型的模拟分析
• 4.2.1 结果分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录