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表面張力和重力驅動下液態釬料填充焊縫流動模型構建及效果評估(二)
來源:科學技術與工程 瀏覽 158 次 發布時間:2025-07-17
1數值計算方法
液態釬料的流動過程十分穩定,雷諾數很低,故采用不可壓層流方法對流場進行求解。連續性方程為
VOF方法通過在動量方程中添加源項求解流動過程,該源項由表面張力和壁面黏附作用引起,表達式為
式中:u為速度矢量;t為時間;p為壓力;rho為密度;g為重力加速度;mu為動力黏度;F_{s}為作用在相界面上的界面力,即源項。
V O F方法捕捉流體界面的基本原理是利用流體體積分數(alpha)表征兩相流體在計算區域內的分布。alpha定義為每一相流體體積占據網格體積的百分數,取值為0~1,它的相傳輸方程表達式為
式(3)中:u_{c}為壓縮速度,大小取決于界面域中的最大速度。通過alpha計算出兩相流體界面處的密度與動力黏度,表達式為
式中:rho_{m}、rho_{w}、rho_0分別為釬料的密度、空氣的密度和兩相界面處的混合密度;u_{m}、u_{w}、u_0分別為釬料的動力黏度、空氣的動力黏度和兩相界面處的混合動力黏度。
應用連續表面力CSF模型,考慮表面張力的影響,并將表面張力作為體積力加到動量方程源項中,表達式為
式(6)中:F_{s}為界面力;sigma為兩相界面張力;kappa為界面曲率;n為垂直于兩相界面的單位法向向量。
在VOF模型中,通過壁面黏附模型設定液體和壁面的接觸角,以此調整壁面附近兩相界面的單位法向量方法如式(7)所示。壁面的接觸角,以此調整壁面附近兩相界面的單位法向量n,計算方法如式(7)所示。
式(7)中:theta為接觸角;n_{b}、t_{b}分別為兩相界面與壁面接觸的單位法向量和單位切向量。
2物理模型及計算區域設置
2.1基本假設
高溫真空釬焊過程的模擬環境較為極端,還會涉及釬料的相變,對真空狀態下的釬焊流場求解十分困難。為計算釬料升溫融化、潤濕填充焊縫過程,根據實際釬焊過程做出如下假設。
(1)釬料的熔點為1470K。溫度低于1470K時,釬料保持固態;溫度高于1470K時,釬料為液態。
(2)將液態釬料視為不可壓縮流體。
(3)所有固體結構在加熱過程中不發生任何形變。
(4)忽視各構件之間的輻射熱交換。
(5)以低真空度空氣域模擬真空環境。
2.2物理模型與計算設置
圖1(a)為基于實際釬焊情況的試樣結構簡化模型,橙色部分為釬料涂覆區域,放置在焊縫上方,材料為鎳基高溫合金;黃色部分為待焊接區域,該焊縫兩側表面互相平行,間距為0.2mm;灰色部分為母材,加熱過程中不發生形變,不與釬料相互溶解。整流器試樣結構對接焊縫尺寸如圖1(b)所示。
計算方案基于VOF模型,以真空度為0.04Pa的空氣模擬真空環境,試樣結構完全被空氣包裹。計算時間步長為0.001s;由于缺少液態鎳基合金的接觸角資料,故參考文獻中與本計算工況(1500K左右)相近的銀釬料滴在基板上的接觸角,將靜態接觸角設置為10°。表面張力為2.0N/m,由JMatPro軟件擬合得到。釬料未融化時,計算域十分穩定,任意位置處速度為0m/s,控制方程的收斂速度較快,為節省計算資源,將初始場的溫度設為1469.9K,恰好低于釬料的熔點。為防止氣體無法排出焊縫,導致局部壓力過高從而阻礙液態釬料鋪展,故在焊縫下端設置開口,確保釬料正常潤濕鋪展。真實釬焊過程中,升溫及保溫時間很長,在幾十分鐘以上,但釬料填充焊縫通常在幾秒內就已完成,故將升溫時間壓縮,具體升溫工藝如圖2所示。
計算域網格截面(x=0mm)如圖3所示,整體上采用多面體網格,在釬料涂覆區域內外均設置邊界層網格,為準確捕捉多余釬料在母材表面的流失過程,對母材表面的網格進行加密。