CN106596632A - 铅铋合金消融实验装置和实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铅铋合金消融实验装置和实验方法。包括绝热上桶、绝热下桶和圆台柱塞，上桶和下桶固定连接，绝热上桶设有桶盖，底端开有锥形通孔，锥形通孔内安圆台柱塞，钢丝绳一端固定在圆台柱塞上，钢丝绳另一端与橡胶塞连接；绝热上桶内装硅油，绝热下桶内部填充有铅铋合金，绝热下桶正下方有动态天平和量杯；硅油与铅铋合金混合体下落入量杯内，根据量杯和动态天平的影像获得不同时刻量杯内的总体积和总质量，处理获得消融质量随时间的变化曲线；用热电偶测量温度，处理获得温度随时间变化的曲线。本发明能进行铅铋合金消融实验，得到铅铋合金消融的质量与时间的关系及铅铋合金内确定点上温度与时间的关系，验证流动传热模型的正确性。

Description

铅铋合金消融实验装置和实验方法
技术领域
本发明涉及了一种实验装置和方法，尤其是涉及了一种铅铋合金消融实验装置和实验方法。
背景技术
计算机性能的不断提高和计算流体力学的飞速发展，给工程分析、设计及科学研究等领域带来急剧的革命性变化。用数值模拟的方法分析取得了重大的进步，特别是在处理数学方法难于处理的复杂边界问题、复杂造型几何问题及模型试验方法求解代价过高的问题等方面。通过数值模拟的方法，可以减少设计成本、降低设计风险、缩短设计周期。
无网格法是近年来兴起的一类数值模拟方法。无网格法采用离散粒子代替流体，通过流体控制方法离散到具有一定作用关系的粒子上进行整体求解，在通过时间推进的方法获得流场的非定常流动信息。
移动粒子半隐式法(MPS)是一种用于计算不可压缩流体运动的无网格方法，是完全Lagrange无网格粒子法。整个计算过程不需要任何背景网格，且满足连续介质模型，广泛应运于不可压缩流体。MPS方法的基本思想是将求解区域内部及边界按一定的形式离散成一系列粒子，采用离散的粒子代表宏观流体和固体边界，每个粒子都携带相应的流动信息，在Lagrange框架下，基于粒子间的相互作用关系将基本流动方程进行离散和求解，通过物理场之间的耦合关系对下一时刻各离子的流动信息进行修正，以时间层推进的方式，获得整个流场的动态流动信息。
移动粒子的半隐式(MPS)方法模拟无粘性且不可压缩性流体自由表面的流动现象，解决了以往在传统的网格方法中存在的网格划分困难以及网格容易发生畸变等一系列的问题。
针对容器内的流体，给定其速度边界，采用MPS方法对其流动现象进行了数值模拟，从而进一步验证了这种方法在解决自由表面流动问题上的可行性和优越性。但是现有技术中针对上述软件方法模拟获得的数据结果缺少一种验证其正确性的方式。
发明内容
针对上述背景技术中所描述的移动粒子的半隐式方法(MPS)，本发明的目的在于提供了一种铅铋合金消融实验装置和实验方法，用于获得实验数据验证数值模拟结果的准确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种铅铋合金消融实验装置：
装置包括绝热上桶、绝热下桶和圆台柱塞，绝热上桶和绝热下桶之间通过螺钉固定连接，绝热上桶顶端设有桶盖，底端中心开有锥形通孔，锥形通孔内安装圆台柱塞，钢丝绳一端固定在圆台柱塞上，钢丝绳另一端向上穿过桶盖后与橡胶塞连接，防止钢丝绳随意移动；绝热上桶内装有硅油，绝热下桶两端均开口并在内部填充有铅铋合金，绝热下桶正下方设有动态天平和放置在动态天平上的量杯。
所述的绝热上桶的容积大于绝热下桶的容积，使存在足够的硅油消融铅铋合金。
所述的绝热上桶、绝热下桶和圆台柱塞均为绝热材料制成。
所述的绝热下桶内设置多根热电偶，热电偶测量端插入到铅铋合金中。通过热电偶测量铅铋合金内热电偶所在处的温度，进而获得温度随时间变化的曲线。
所述的铅铋合金中心预留有与锥形通孔同轴相通的小孔，小孔用于在圆台柱塞拔出后的开始时间内硅油能够顺利流通。
二、一种铅铋合金消融实验方法：
向绝热上桶内注入约300氏摄度的硅油，盖上桶盖，绝热下桶内部充满铅铋合金固体，通过橡胶塞提拉钢丝绳将圆台柱塞拔出，硅油经过绝热上桶底端的通孔流入绝热下桶将铅铋合金融化，硅油与铅铋合金的混合体一同下落流入量杯内，使用高速摄像仪记录量杯和动态天平处变化过程的影像；
根据量杯和动态天平的影像获得不同时刻量杯内的总体积和总质量，进而处理获得铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线；用热电偶测量温度，进而处理获得热电偶所在处的温度随时间变化的曲线。
所述的硅油开始流经绝热下桶内的铅铋合金时，通过铅铋合金中心预留的小孔流出。由于铅铋合金的熔点低于300℃，因此300℃的硅油能够使铅铋合金融化。
所述的铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线采用以下公式获得：
ρ1V1+ρ2V2＝m，V1+V2＝V
其中，ρ1为硅油密度已知，ρ2为铅铋合金的密度，m为量杯内硅油和铅铋合金的总质量，V为量杯内硅油和铅铋合金的总体积，V1为硅油的体积，V2为铅铋合金的体积。
由于硅油密度ρ1已知，固定比例的铅铋合金的密度ρ2已知，根据动态称重天平与量杯的数据变化可得知硅油和铅铋合金的总质量m及总体积V，根据上述公式可求得硅油的体积V1及铅铋合金的体积V2，由此通过影响取采集获得多个时刻的总质量和总体积数据即可得到铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线。
根据实际要求调整铅铋合金中铅合金和铋合金的配比比例得到不同的变化曲线。
本发明具有的有益的效果是：
本发明的实验设备有绝热材料制造，实验硅油热融铅铋合金。通过硅油和铅铋合金混合液体的实时体积和质量的变化情况的观察，得到铅铋合金消融质量与时间的关系；又通过铅铋合金内热电偶装置，得到铅铋合金内固定点的温度与时间的关系，从而验证流动传热模型的正确性。
本发明的实验结果能用于验证移动粒子半隐式法(MPS)数值模型或其他计算模型算法正确性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是实施例的铅铋合金、硅油流量曲线图。
图3是实施例热偶测量获得的温度曲线图。
图中：1、橡胶块，2、绝热桶盖，3、绝热上桶，4、联接螺钉，5、绝热下桶，6、热电偶，7、圆台柱塞，8、钢丝绳，9、铅铋合金，10、硅油。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括绝热上桶3、绝热下桶5和圆台柱塞7，绝热上桶3和绝热下桶5之间通过螺钉4固定连接，绝热上桶3顶端设有桶盖2，底端中心开有锥形通孔，锥形通孔内安装圆台柱塞7，圆台柱塞7的锥面和锥形通孔的锥面相契合，钢丝绳8一端固定在圆台柱塞7上，钢丝绳8另一端向上穿过桶盖2后与橡胶塞1连接，防止钢丝绳8随意移动；绝热上桶3内装有硅油10，绝热下桶5两端均开口并在内部填充有铅铋合金9，绝热下桶5正下方设有动态天平和放置在动态天平上的量杯。
如图1所示，绝热下桶5内固定设置有三根竖直杆，三根竖直杆沿绝热下桶5径向间隔布置，热电偶6测量端穿过绝热下桶5侧壁固定连接到竖直杆，热电偶6信号采集端伸出绝热下桶5外，便于信息的收集。铅铋合金9中心预留有与锥形通孔同轴相通的小孔，小孔用于硅油10开始顺利流通。
本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：
向绝热上桶3内注入约300氏摄度的硅油10，盖上桶盖2防止热量散失，绝热下桶5内部充满铅铋合金固体，通过橡胶塞1提拉钢丝绳8将圆台柱塞7拔出，硅油10经过绝热上桶3底端的通孔流入绝热下桶5将铅铋合金9融化，硅油与铅铋合金的混合体一同下落流入量杯内，量杯置于动态称重天平上，使用高速摄像仪记录量杯和动态天平处变化过程的影像。硅油10开始流经绝热下桶5内的铅铋合金9时，通过铅铋合金9中心预留的小孔流出。
根据量杯和动态天平的影像获得不同时刻量杯内的总体积和总质量，进而处理获得铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线，具体是采用以下公式获得：
ρ1V1+ρ2V2＝m，V1+V2＝V
其中，ρ1为硅油密度已知，ρ2为铅铋合金的密度，m为量杯内硅油和铅铋合金的总质量，V为量杯内硅油和铅铋合金的总体积，V1为硅油的体积，V2为铅铋合金的体积。
实施例中以Pb-56％、Bi-44％、熔点为152℃的铅合金和铋合金配比的铅铋合金充满绝热下桶，然后在上桶中注入300℃的硅油；当拔出圆台柱塞时，硅油流入下桶，沿预留的小孔流出下桶流入预先准备好的量杯内。实验开始时只有硅油以恒定速度流出桶外，铅铋合金未融化；随着时间的流逝，铅铋合金达到熔点后开始加速融化，直至达到熔点温度下稳定的融化速度，随硅油一起流出桶外。根据量杯与动态称重天平的变化，获得铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线，如图2所示。
具体实施采用热电偶6测量温度，获得热电偶6所在处的温度随时间变化的曲线，如图3所示。
由此可见本发明通过铅铋合金消融质量与时间的关系及铅铋合金内固定点的温度与时间的关系，从结果上验证流动传热模型的正确性。

Claims (9)

1.一种铅铋合金消融实验装置，其特征在于：包括绝热上桶(3)、绝热下桶(5)和圆台柱塞(7)，绝热上桶(3)和绝热下桶(5)之间通过螺钉(4)固定连接，绝热上桶(3)顶端设有桶盖(2)，底端中心开有锥形通孔，锥形通孔内安装圆台柱塞(7)，钢丝绳(8)一端固定在圆台柱塞(7)上，钢丝绳(8)另一端向上穿过桶盖(2)后与橡胶塞(1)连接；绝热上桶(3)内装有硅油(10)，绝热下桶(5)两端均开口并在内部填充有铅铋合金(9)，绝热下桶(5)正下方设有动态天平和放置在动态天平上的量杯。
2.根据权利要求1所述的一种铅铋合金消融实验装置，其特征在于：所述的绝热上桶(3)的容积大于绝热下桶(5)的容积。
3.根据权利要求1所述的一种铅铋合金消融实验装置，其特征在于：所述的绝热上桶(3)、绝热下桶(5)和圆台柱塞(7)均为绝热材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种铅铋合金消融实验装置，其特征在于：所述的绝热下桶(5)内设置多根热电偶(6)，热电偶(6)测量端插入到铅铋合金(9)中。
5.根据权利要求1所述的一种铅铋合金消融实验装置，其特征在于：所述的铅铋合金(9)中心预留有与锥形通孔同轴相通的小孔，小孔用于在圆台柱塞(7)拔出后的开始时间内硅油(10)能够顺利流通。
6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种铅铋合金消融实验方法，其特征在于：向绝热上桶(3)内注入约300氏摄度的硅油(10)，盖上桶盖(2)，绝热下桶(5)内部充满铅铋合金固体，通过橡胶塞(1)提拉钢丝绳(8)将圆台柱塞(7)拔出，硅油(10)经过绝热上桶(3)底端的通孔流入绝热下桶(5)将铅铋合金(9)融化，硅油与铅铋合金的混合体一同下落流入量杯内，使用高速摄像仪记录量杯和动态天平处变化过程的影像；
根据量杯和动态天平的影像获得不同时刻量杯内的总体积和总质量，进而处理获得铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线；用热电偶(6)测量温度，进而处理获得热电偶(6)所在处的温度随时间变化的曲线。
7.根据权利要求6所述的一种铅铋合金消融实验方法，其特征在于：所述的硅油(10)开始流经绝热下桶(5)内的铅铋合金(9)时，通过铅铋合金(9)中心预留的小孔流出。
8.根据权利要求6所述的一种铅铋合金消融实验方法，其特征在于：所述的铅铋合金消融的质量随时间的变化曲线采用以下公式获得：
ρ1V1+ρ2V2＝m，V1+V2＝V
其中，ρ1为硅油密度已知，ρ2为铅铋合金的密度，m为量杯内硅油和铅铋合金的总质量，V为量杯内硅油和铅铋合金的总体积，V1为硅油的体积，V2为铅铋合金的体积。
9.根据权利要求6所述的一种铅铋合金消融实验方法，其特征在于：根据实际要求调整铅铋合金中铅合金和铋合金的配比比例得到不同的变化曲线。
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