区域熔融温度场数值模拟与实验研究

摘要

区域熔融是主要用于化工、金属、半导体材料等物质超纯提炼[1]的一项新兴技术。该方法的有效性、实用性等特点决定了其良好的市场发展和应用前景。本文简要阐述了区域熔融提纯仪的设计思想；通过实验手段，对区域熔融条件下各主要影响因素进行了较为深入的研究和分析；建立了区域熔融温度场的数学模型和有限元计算模型；利用大型有限元分析软件ANSYS对实验温度场进行了数值模拟，得出了具有一定价值和参考意义的结论。论文主要包含了以下几个方面的内容。 在参考已有区域熔融提纯仪模型设计的基础上，对仪器机械部分进行了整体结构改进，新仪器体现了明显的一体化设计思想与风格；该仪器采用PLC实现了全自动控制功能，大大改善了仪器的运行和使用环境。系列实验及结果鉴定证明，仪器满足了用户的设计和使用性能要求。 设定仪器在不同的工作条件下，对管装介质进行了一系列轴向温度场测量实验。实验分别研究了管径、加热区域运行速度、测点位置等主要影响因素在不同数值的情况下，介质温度场在相应测点的轴向随时间的变化曲线；并通过实验数据或曲线对主要影响因素进行了较为深入的分析，探讨了区域熔融温度场分布特点与各主要影响因素之间的关系，从而为区域熔融提纯仪的设计以及该项技术在一些相关领域中使用参数的选择提供了一定的依据。 通过仪器运行及实验环境的分析，对研究对象的实验条件进行了合理的简化和假设；并借助数学手段，分析和建立了区域熔融条件下研究对象的数学模型及有限元计算模型。同时，利用大型有限元分析软件ANSYS对该模型温度场进行了数值模拟，并将其结果与相应实验测量结果进行了比较，发现二者之间虽然存在着一定的差别，但是模拟结果基本上符合了研究对象实测温度场的分布趋势。从而验证了实验条件假设的合理性以及对具体实验环境进行软件模拟研究的可操作性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题的提出及意义

1.1.1课题背景

1.1.2课题的提出

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.3研究方法及技术路线

1.3.1研究方法

1.3.2技术路线

1.4 ANSYS软件简介

第二章区域熔融提纯仪开发及温度场测量

2.1区域熔融提纯仪开发

2.1.1仪器整体设计与实现

2.1.2区域熔融提纯仪试验鉴定

2.2区域熔融温度场测量实验

2.2.1实验工艺流程

2.2.2实验物料或介质

2.2.3区域熔融温度场的测量

2.3本章小结

第三章区域熔融温度场计算模型的建立

3.1一般导热问题的数值模拟算法

3.1.1求解区域的离散化

3.1.2定解条件差分方程

3.1.3定解条件的差分格式

3.1.4差分格式的相容性、收敛性及准确性

3.2实验条件的简化与假设

3.2.1区域熔融温度场实验条件简化的必要性

3.2.2区域熔融温度场实验条件的简化与假设

3.3实验区域熔融的传热学分析

3.3.1传热学基础知识

3.3.2区域加热条件下研究对象的传热学分析

3.4区域熔融温度场有限元几何模型的建立

3.5边界条件和初始条件的确定

3.6区域熔融温度场有限元计算模型

3.7本章小结

第四章ANSYS软件模拟与实验验证

4.1应用ANSYS软件对区域熔融温度场的数值模拟

4.1.1有关参数的选择

4.1.2 ANSYS软件模拟的基本过程

4.1.3区域熔融温度场实验条件的ANSYS软件模拟结果

4.2实验结果及误差分析

4.2.1计算模型假设条件的影响

4.2.2操作过程误差的影响

4.2.3计算误差的影响

4.2.4人为误差的影响

4.3本章小结

第五章主要结论与课题展望

5.1主要结论

5.1.1温度场测量实验及结论

5.1.2温度场数值模拟及结论

5.2课题展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文