Экспериментальное исследование теплопроводности и температуропроводности расплавов легкоплавких металлов и сплавов методом лазерной вспышки

• Автор: Савченко, Игорь Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 128 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ТЕРМИНОВ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
1.1. Теория теплопроводности жидких металлов
1.2. Методы измерений
1.3. Экспериментальные данные для жидких металлов и сплавов
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДИКА
ИЗМЕРЕНИЙ
2.1. Экспериментальная установка и измерительные ячейки
2.2. Математическая модель
2.3. Методика проведения измерений и подготовки образцов
2.4. По1решности измерений
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Твердое состояние
3.2. Жидкое состояние
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. Сопоставление с известными литературными данными
4.2. Закономерности изменения теплопроводности расплавов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Первичные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности жидких металлов и ., „
1 1 О
сплавов
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Список основных публикаций автора по теме диссертационной работы
ПРИЛОЖЕНИЕ 3: Авторская справка

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И
ТЕРМИНОВ
Ср - удельная изобарная теплоемкость Ь - экспериментальное значение числа Лоренца - теоретическое значение числа Лоренца Q - поток тепла Ка - число Рэлея Как — критическое число Рэлея 5 - площадь поверхности Т - температура
Т,пю ~ максимальная температура на верхней поверхности образца
V — объем
а - температуропроводность
Д0 — временная зависимость амплитуды импульса И — толщина слоя жидкости I - время
^/2 ~ время, необходимое для разогрева верхней поверхности образца до половины максимальной температуры X - теплопроводность
Р - объемный коэффициент теплового расширения
V - кинематическая вязкость е - степень черноты
р - плотность
ре - удельное электросопротивление а — электропроводность

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Жидкие металлы и сплавы находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. Интерес к ним обусловлен, в первую очередь, уникальным комплексом свойств и, прежде всего, высокой теплопроводностью, а так же достаточно низким давлением паров при высокой температуре, что позволяет использовать металлические расплавы в качестве высокотемпературных теплоносителей для ядерной энергетики и других отраслей промышленности. С фундаментальной точки зрения исследование свойств жидких металлов необходимы для разработки и апробации теории жидкого состояния, которая в настоящее время еще далека от своего завершения, поэтому основным источником получения необходимой информации остается эксперимент.
Наличие данных по коэффициентам переноса тепла и, прежде всего, коэффициента теплопроводности, является необходимым условием для проведения научных и инженерных расчетов тепловых условий проведения процессов, а также режимов работы устройств и установок. Несмотря на значительный объем уже проведенных исследований, теплопроводность металлических расплавов остается одним из наименее изученных свойств. В настоящее время в области высоких температур не существует данных по теплопроводности расплавов, которые можно было бы рассматривать как эталонные. Результаты измерений расходятся и количественно (за пределы суммарных погрешностей) и качественно (разные знаки производной по температуре). Основной причиной такого положения дел в этой области является чрезвычайная сложность постановки экспериментов и, прежде всего, достоверный учет тепловых потерь за счет радиационного и конвективного переносов, которые существенно возрастают при высоких температурах.
Среди наиболее перспективных методов измерения температуропроводности расплавов выделяют метод лазерной вспышки. Метод хорошо апробирован для твердого состояния и имеет разработанные модели учета тепловых потерь. Однако для него остаются нерешенными некоторые методические вопросы, связанные с созданием измерительной ячейки, которая обеспечивает однородный и плоскопараллельный слой жидкости известной толщины, а также с разработкой математической модели, которая описывает распространение теплового импульса в сложной геометрии ячейки при наличии слоев разнородных материалов.

2.2. Математическая модель
Как было указано выше, метод лазерной вспышки широко используется для твердого состояния, но достаточно редко применяется для исследования расплавов. В этой части для него остаются нерешенными некоторые методические вопросы, связанные с созданием измерительной ячейки, которая обеспечивает однородный и плоскопараллельный слой жидкости известной толщины, а также с разработкой' математической модели, которая описывает распространение теплового импульса в сложной геометрии ячейки при наличии слоев разнородных материалов. Одной из целей данной работы являлась разработка новой методики измерения температуропроводности и теплопроводности металлических расплавов методом лазерной вспышки в широком интервале температур жидкого состояния.
Для определения температуропроводности и теплопроводности расплавов по экспериментальным термограммам необходимо построить математическую модель, которая позволяет рассчитать временную эволюцию температурного поля в ячейке (рис. 2.3).
Будем считать, что свойства материала тигля, вставки и расплава в интервале нагрева лазерным импульсом не зависят от температуры, измерительная ячейка в начальный момент времени имеет постоянную температуру, а потери тепла определяются исключительно излучением с поверхности. Уравнения радиационного переноса были линеаризованы, т.к. в реальном эксперименте разогрев ячейки, после воздействия лазерного импульса, не превышает нескольких градусов. Такие приближения являются общепринятыми и всегда используются при обработке результатов измерений в методе лазерной вспышки [91]. В этих приближениях уравнение теплопроводности, описывающее распространение теплового импульса в ячейке, имеет вид:

— = а б/
с д2в _дв}
удг2 г дг

+ (2-1)
где 0 = (Т -Т0), Т0- температура образца в Кельвинах до начала облучения тигля лазерным импульсом. Начальное условие:
<’('•’4..=° <2,2)