Гидродинамика и фазовые переходы при соударении капли с твердой поверхностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

1 Введение

2 Гидродинамика соударения капли с твердой поверхностью

2.1 Модель удара.

2.2 Образование пальцев на фронте осесимметричной пленки жидкости, индуцированной ударом.

3 Фазовые переходы

3.1 Кинетика роста кристалла.

3.2 Кинетика спонтанной кристаллизации.

3.3 Термодинамика и кинетика стеклования.

3.4 Моделирование микроструктуры тонкого слоя металла, закаленного из жидкого состояния.

3.4.1 Нахождение толщины аморфного подслоя, образующегося вблизи подложки при закалке тонкого слоя расплава металла

3.4.2 Модель спонтанной кристаллизации тонкого слоя расплава металла. приведенного в контакт с массивной подложкой.

4 Газовыделение в процессе кристаллизации

4.1 Вытеснение растворенного в расплаве газа движущимися фронтами кристаллизации

Заключение

Ниже сформулированы основные результаты проведенного автором исследования по проблеме соударения капли расплава с твердой поверхностью.

1. На основе модели высокоскоростного удара капли о твердую поверхность, заключающейся в явном выделении двух стадий соударения: стадии ударного взаимодействия и стадии напорного растекания, впервые предложен механизм неустойчивости фронта пленки жидкости, индуцированной ударом, приводящей к образованию лепестковой структуры.

2. Решена задача о затвердевании тонкого слоя расплава металла, приведенного в контакт с массивной подложкой. Выявлены все его структурные составляющие, а именно: на основе сформулированного критерия аморфизации, определена толщина образующегося вблизи подложки аморфного подслоя; предложенная модель спонтанной кристаллизации слоя расплава впервые позволила найти распределение кристаллитов по размерам по толщине затвердевшего слоя, показана зависимость степени неоднородности получаемой структуры от тепло-физических свойств подложки. Также найдена максимально возможная толщина, при которой слой расплава в процессе закалки полностью аморфизуется. При этом рассчетная температура стеклования тонкого никелевого слоя практически совпадает с температурой рекристаллизации данного слоя. Это дает основание считать, что именно кинетическая температура стеклования играет роль параметра термической стабильности металлических стекол.

3. Рассмотрена задача о вытеснении растворенного в расплаве газа плоским и сферическим фронтами фазового перехода. Найдены аналитические решения задачи для двух практически важных случаев скорости роста кристалла: постояеной н обратно пропорциональной квадратному корню от времени. Во втором случае дан критерий отсутствия газовыделения в процессе кристаллизации, обусловленного сегрегацией, который дает возможность исключить порообразование в закаливаемом материале.

Результаты представленного в диссертации исследования могут быть использованы при создании и совершенствовании физико-математической базы технологических процессов, основанных на методе закалки из жидкого состояния.

1. К. Прис (Ред.) Эрозия. - М.: Мир. 19S2.

2. А. М. Worthington A study of splashes. New York: MacMillan. 1908.

3. S. S. Cook Erosion by water hammer// Proc. R. Soc. London. Ser. A. 1928. - V. 119. - P. 481-488.

4. O. G. Engel Water drop collision with solid surfaces// J. Res. Nat. Bur. Stand. -1955. V. 54. - P. 281-298.

5. F. J. Heymann High-speed impact between a liquid drop and a solid surface// J. Appl. Phys. 1969. - V. 40. - №13. - P. 5113-5122.

6. F. P. Bowden, J. E. Field The brittle fracture of solids by liquid impact, by solid impact and by shock// Proc. R. Soc. London. Ser. A. 1964. - V. 282. - P. 331-352.

7. O. G. Engel Damage produced by high-speed liquid drop impacts// J. Appl. Phys. 1972. - V. 44. - P. 692-704.

8. Хуанг, Хэммит, Янг Гидродинамические явления при высокоскоростном соударении капли жидкости с жесткой поверхностью// Тр. амер. общ-ва инж.-мех. Сер. Д. Теоретические основы инженерных расчетов. 1973. - Т. 95. - №2. - С. 183-202.

9. А. А. Коробкин Соударение жидких и твердых масс: Дис. . д-ра физ.-мат. наук. Новосибирск: ИГиЛ СО РАН. 1995.

10. А. Л. Гонор, В. Я. Ривкинд Динамика капли// Итоги пауки и техники. Механика жидкости и газа. М.: ВИНИТИ. 1982. Т. 17. - С. 86-159.1.l M. В. Lesser, J. E. Field The Impact of Compressible Liquids// Ann. Rev. Fluid Men;. 1983. - Y. 15. - P. 97 122.

11. P. Savic, G. T. Boult The fluid flow associated with the impact of liquid drops with solid surfaces// Proc. Heat Transfer Fluid Mech. Inst. California Inst, of Tech. Pasadena. California. 1957. - P. 43-81.

12. F. H. Harlow, J. P. Shannon The splash of a liquid drop// J. Appl. Phys. -1967. V. 38. - №10. - P. 3855-3866.

13. С. В. Стебновский Особенности начальной стадии растекания капли на твердой поверхности// ПМТФ. 1979. - №1. С. 89-92.

14. J. В. Keller, М. J. Miksis Surface tension driven flows// SIAM J. Appl. Maths.- 1983. V. 43. - №2. - P. 268-277.

15. J. Billingam Surface-tension-driven flow in fat fluid wedges and cones// J. Fluid Mech. 1999. - V. 397. - P. 45-71.

16. M. B. Lesser Analytical solutions of liquid- drop impact problems// Proc. R. Soc. Lond. Ser. A. 1981. - V. 377. - P. 289-308.

17. A. I. Fedorchenko Asymptotic theory of the droplet spreading at collision with solid surface/ M. Rein (Ed.) Drop-Surface Interaction. New York: Springer Wien. 2001.

18. Г. Герман (Ред.) Сверхбыстрая закалка жидких сплавов. М.: Металлургия. 1987.

19. И. С. Мирошниченко Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия. 1982.

20. Н. Jones Splat cooling and metastable phases// Report on Prog. Physics. 1973.- V.36. №11. - P. 1425-1497.

21. H. Jone Rapid solidification of metals and alloys. London: Institution of Metallurgists. 1982.

22. H. Miura, S. Isa, К. Omuro, N. Tanigami Production of amorphous based alloys bv flame-spray quanching// Trans, of the .Japan Institute for Metals. 1981.1. V. 22. Л.Т - P. 597 606.

23. M. Ф. Жуков, О. П. Солоненко, А. И. Федорченко Равновесная кристаллизация расплавленных частиц на поверхности при плазменном напылении// Доклады АН СССР. 1990. - Т. 314. - У-.2. - С. 369-374.

24. Т. Watanabe, I. Kuribayashi, Т. Honda, A. Kanzava Deformation and solidification of a droplet on a cold substrate// Chem. Eng. Sci. 1992. - V. 47.- P. 3059-3065.

25. G. Trapaga, E. F. Matthys, J. J. Valencia, J. Szekely Fluid flow, heat transfer, and solidification of molten metal droplets impinging on substrates: Comparision of numerical and experimental results// Metall. Trans. 1992. - V. 23B. - P. 701-710.

26. H. Liu, E. J. Lavernia, R. H. Rangel Numerical simulation of substrate impact and freezing of droplets in plasma spray processes// J. Phys. D Appl. Phys. 1993.- V. 26. P. 1900-1009.

27. T. Bennett, D. Poulikakos Splat-quench solidification: estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface// J. Mater. Sci. 1993. - V. 28. - P.963.970.

28. Б. Я. Любов Теория кристаллизации в больших объемах. '- М.: Наука. 1975.

29. А. И. Федорченко Фазовый переход при закалке из жидкого состояния// ПМТФ. 2001. - Т. 42. - №1. - С. 108 114.

30. G.-X. Wang, Е. F. Matthys Numerical modelling of phase change ancl heat transfer during rapid solidification processes: use of control volume integrals withelement subdivision// Int. .1. Heat and .Mass Transfer. 1992. - V. 35. - №1. - P. 141-153.

31. G. G. Levi, R. Mehrabian Heat flow during rapid solidification of undercooled metal droplets// Metall. Trans. A. 1982. V. 13A. - P. 221-234.

32. H. Zhang, X. Y. Wang, L. L. Zheng, X. Y. Jiang Studies of splat morphology and rapid solidification during thermal spraying// Int. J. of Heat and Mass Transfer.- 2001. V. 44. - P. 4579-4592.

33. M. Chung, R. H. Rangel Paramet ric study of metal droplet deposition and solidification process including contact resistance and undercooling effects// Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2001. - V. 44. - P. 605-608.

34. K.-C. Chang, C.-M. Chen Revisiting heat transfer analysis for rapid solidification on metal droplets// Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2001. - V. 44, - P. 1573-1583.

35. A. H. Черепанов Анализ подобия в процессах кристаллизации и структуро-образования двойных сплавов// Металлы. 1988. - №3. - С. 69-76.

36. В. П. Скрипов, В. П. Коверда Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. М.: Наука, 1984.

37. Т. W. Clyne Numerical treatment of rapid solidification// Metall. Trans. B. -1984. V. 15. - P. 369-381.

38. W. A. Johnson, R. E. Mehl Reaction kinetics in processes of nucleation and growth// Trans. Amer. Inst. Min. Met. 1939. - V.8. - №2. - P. 212-224.

39. M. Avrami Kinetics of phase change. I. General theory// J. Chem. Phys. 1940.- V.8. №2. - P. 212-224.

40. M. Avrami Kinetics of phase change. II. Transformation-time relations for random distribution of nuclei// J. Chem. Phys. 1939. - V.7. - №12. - P. 1103-1112.

41. M. Avrami Kinetics of phase change. III. Granulation, phase change and microstructure// J. Chem. Phys. 1941. - V.9. - №2. - P. 177-184.-М. Дж. В. Гиббс Термодинамические работы. M.-JI.: Гостехиздат, 1950.

42. Я. И. Френкель Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука. 1975.

43. Я. Б. Зельдович К теории образования новой фазы. Кавитация// ЖЭТФ. -1942. Т.12. - Вып. 11-12. - С. 525 -538.

44. А. Н. Колмогоров К статистической теории кристаллизации металлов// Изв. АН СССР, сер. мат. 1937. - Вып. 3 - С. 355-359.

45. Н. J. Gunterodt, Н. Beck (Eds.) Classy Metals I. Topics in Applied Physics, V. 46. Berlin: Springer: New York: Heidelberg, 1981.

46. К. Судзуки, X. Фудзимори, К. Хасимото Аморфные металлы. М.: Металлургия, 1987.

47. Ю. А. Куницкий, В. Н. Коржик, Ю. С. Борисов Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике. Киев: Тэхника, 1988.

48. Ю. А. Скаков, В. С. Крапошин Итоги науки и техники. Металловедение и термическая обработка. М.: ВИНИТИ, 1982, Т. 16. - С. 3-68.

49. А. P. Baikov, V. A. Ivanchenko, V. I. Motorin, S. L. Musher The one-component metallic glasses from nickel and molybdenum// Physics Letters. 1985. - V. 113A. - №1. - P. 38-40.

50. А. В. Белоцкий, Ю. А. Куницкий, Я. П. Грицкив Структура и физические свойства быстрозакаленных сплавов. Киев: Киев, политехи, ин-т, 1983.

51. И. С. Мирошниченко (Ред.) Вопросы формирования метастабильной структуры сплавов. Днепропетровск: Днепропетр. ун-т, 1984.

52. P. Chraska, J. Dubsky, В. Kolman, P. Raus Phase changes during the plasma spray deposition/ Eds. O.P. Solonenko, A.I. Fedorchenko Plasma Jets in the Development of New Materials Technology, VSP. Utrecht, The Netherlands; Tokyo, Japan, 1990. P. 311-320.

53. Л. Fukai, Z. Zhao, D. Poulikakos, С. M. Megaridis, O. Miyatake Modeling of the deformation of a liquid droplet impinging upon a flat surface// Phys. Fluids

54. A. 1993. - V. 5. - A il. - P. 25SS-2599.

55. J. Fukai, Y. Shiiba, T. Yamamoto, O. Miyatake, D. Poulikakos, C.M. Megaridis, Z. Zhao Wetting effects on the spreading of a liquid droplet colliding with a flat surface: Experiment and modeling// Phys. Fluids. 1995. - V. 7. - №2.- P. 236-247.

56. M. Pasandidech-Fard, Y. M. Qiao, S. Chandra, J. Mostaghimi Capillary effects during droplet impact on a solid surface// Phys. Fluids. 1996. - V. 8. - №3.- P. 650-659.

57. А.И. Федорченко Гидродинамика и теплообмен при взаимодействии "расплавленная частица твердая поверхность''// Дис. . кандидата физ.-мат. наук. -Новосибирск: ИТФ АН СССР. 1988.

58. Z. Zhao, D. Poulikakos, J. Fukai Heat transfer and fluid dynamics during the collision of a liquid droplet on a substrate I. Modeling// Int. J. Heat and Mass Transfer. - 1996. - V. 39. - №13. - P. 2771-2789.

59. J. Madejski Solidification of droplets on a cold surface// Int. J. Heat and Mass Transfer. 1976. - №19. - P. 1009-1013.

60. J. Madejski Droplets on impact with a solid surface// Int. J. Heat and Mass Transfer. 1983. - №26. - P. 1095-1098.

61. Д. А. Гасин, Б. А. Урюков Динамика взаимодействия жидкой частицы с поверхностью// Изв. СО АН СССР. 1986. - №16. - Вып. 3. - С. 95-100.

62. S. Chandra, С. Т. Avedisian On the collision of a droplet with a solid surface// Proc. R. Soc. London A. 1991. - V. 432. - P. 13-23.

63. H. Fukanuma, A. Ohmory Behavior of molten droplet impinging on flat surfaces// Proc. of the 7th National Thermal Spray Conference, Boston, MA, June 1994. P. 563-568.

64. H. Zhang Theoretical analysis of spreading and solidification of molten droplet during thermal spray deposition// Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1999. - V. 42. - №. - P. 2499 -2508.

65. S. D. Aziz, S. Chandra Impact, recoil, and splashing of molten droplets// Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1999. - V. 43. - №. - P. 2841-2857.

66. Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков Физика металлов. M.: Атомиздат, 1978.

67. М. A. Bianchi, R. Viskanta Gas segregation during solidification process// Int. J. of Heat and Mass Transfer. 1997. - V. 40. - №9. - P. 2035-2043.

68. W. R. Wilcox, V. H. S. Kuo Gas bubble nucleation during crystallization// J. of Crystal Growth. 1973. - V. 19. - P. 221-228.

69. Я. E. Гегузин, А. С. Дзюба Выделение газа, формирование и захват газовых пузырьков на фронте кристаллизации из расплава// Кристаллография. 1977. -Т. 22. - Вып. 2. - С. 348-353.

70. Ya. Е. Gegusin, A. S. Dzyuba Crystallization of a gas-saturated melt// J. of Crystal Grow. 1981. - V. 52. - P. 337-344.

71. P. S. Wei, Y. K. Kuo, S. H. Chiu, C. Y. Ho Shape of a pore trapped in solid during solidification// Int. j. of Heat and Mass Transfer. 2000. - V. 43. - №2. - P. 263-280.

72. M. A. Rogerson, S. S. S. Cardoso Patterns of bubble desorption during the solidification of a multicomponent melt// J. Fluid Mech. 2000. - V. 419. - P. 263282.

73. А. И. Федорченко Гидродинамические и теплофизические особенности соударения капель расплава с твердыми поверхностями: Дис. . д-ра физ.-мат. наук. Новосибирск: ИТ СО РАН, 2000.

74. Н. Е. Кочин, И. А. Кибель, Н. В. Розе Теоретическая гидромеханика. -Часть 1. М.: Физматгиз, 1963.

75. А. И. Федорченко, А. А. Чернов Образование пальцев на фронте осеснм-метрнчной пленки жидкости при ударе капли о твердую поверхность// ДАН. -1999. Т. 367. - Л-4. - С. 495 497.

76. А. И. Федорченко, А. А. Чернов Образование лепестковой структуры на фронте осесимметричной пленки жидкости, индуцированной ударом капли о плоскую поверхность// ПМТФ. 1999. - Т. 40. - .Ч<6. - С. 92-97.

77. В. E. Накоряков, А. В. Горин Тепломассоперенос в двухфазных средах. -Новосибирск: ИТ СО РАН, 1994.

78. Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский Физическая кинетика. М.: Наука, 1979.

79. A. A. Chernov, A. I. Fedorchenko A vitrification criterion for metal melts under hardening from the liquid state// Russian J. of Eng. Thermophysics. 2000.- V.10. №3. - P. 201-206.

80. V. I. Motorin Vitrification kinetics of pure metals// Phys. Stat. Sol. 1983. - V. 80A. - P. 447-455.

81. I. Gutzow, J. Schmelzer The vitreous state thermodynamics, structure, rheology and crystallization. Berlin: Springer, 1995.

82. M. Reiner The Deborah number// Phisics today. 1964. - №17. - P. 62.

83. Г. M. Бартенев Структура и механические свойства неорганических стекол.- М.: Стройиздат, 1966.

84. А. В. Лыков Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967.

85. А. Р. Регель, В. М. Глазов Физические свойства электронных расплавов. -М.: Наука, 1980.

86. А. Р. Уббелоде Расплавленное состояние вещества. М.: Металлургия. 1982.

87. В. Е. Зиновьев Кинетические свойства металлов при высоких температурах.- М.: Металлургия. 1984.

88. А. С. Мальковский О термической устойчивости метастабильных фаз// Изв. АН СССР. Металлы. - 1987. - №5. -- С. 175-170.

89. У. Кестер, У. Герольд Металлические стекла. М.: Мир. 1983.

90. Н. В. Еднерал, Г. В. Мартинсон, Ю. В. Скаков Особенности процесса кристаллизации аморфных сплавов, полученных закалкой из жидкого состояния// Изв. вузов. Чер. металлургия. - 1982. - №1.

91. Б. И. Белевцев, Ю. Ф. Комник, J1. А. Яцук Электрическое сопротивление и структурные характеристики пленок хрома, полученных низкотемпературной конденсацией// Физика низких температур. 1982. - Т.8. - №10.

92. А. И. Федорченко, А. А. Чернов Модель спонтанной кристаллизации тонкого слоя расплава, приведенного в контакт с массивной подложкой// ПМТФ. -2001. Т. 42. - №6. - С. 124-130.

93. П. Роуч Вычислительная гидродинамика. М.: Мир. 1980.

94. A. I. Fedorchenko, A. A. Chernov The self-similar solutions in the problem of gas segregation by flat and spherical crystallization fronts// j. of Eng. Thermophysics.- 2002. V. 11. - №2.