CN111334865A - 一种基于有限元的枝晶生长过程热模拟方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元的枝晶生长过程热模拟方法及装置，包括隔热板，设于隔热板内的加热棒及设于隔热板下端的固定板，固定板的下端设有压线板，加热棒的上端设有铜加热套，该装置还包括设于隔热板内、对若干铜加热套进行冷却的冷却管；模拟时将有机物置于铜加热套的上端，通过控温系统经加热棒分别调控加热套的温度，待铜加热套的温度达到目标温度后，保温并通过冷却管通过压缩空气对铜加热套进行冷却，观察有限元枝晶生长过程。该装置能够基于热相似原理再现枝晶生长凝固的环境条件，实时、直观地观察有机物凝固过程中枝晶生长情况，并且能够高通量地研究不同加热温度、冷却速率下的枝晶生长过程，采用该装置进行模拟的可操作性强。

Description

一种基于有限元的枝晶生长过程热模拟方法及装置
技术领域
本发明属于枝晶生长领域，尤其涉及一种基于有限元的枝晶生长过程热模拟方法及装置。
背景技术
结晶是自然界常见的一种现象，枝晶生长是结晶过程中重要的环节，枝晶生长情况直接关系到固态产品最终的使用性状，研究枝晶的生长情况对准确把握物质的结晶过程至关重要。有机物是生活中常用的物质，如糖、蛋白质、脂肪、塑料、尼龙、橡胶、棉布、纸张、烟酒等，且大多数有机物相对于金属来说熔沸点很低，因此，研究枝晶生长过程不仅可以清晰把握有机物的凝固机理，而且能为研究金属的凝固过程提供一定的借鉴。目前直接观察枝晶生长的设备相对较少，且多无法实现高通量操作，同时观察几种不同条件下的有机物枝晶生长情况。现亟需一种结构简单、易于实时高通量观察枝晶生长的状态的装置。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种基于热相似原理，再现枝晶生长凝固的环境条件并能够实时观测枝晶生长过程，高通量直观地热模拟有限元枝晶生长过程的装置；
本发明的第二目的是提供采用该装置进行热模拟的方法。
技术方案：本发明基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，包括中部开设有若干通孔的隔热板，设于若干通孔内的加热棒及设于隔热板下端、用于固定该若干加热棒的固定板，固定板的下端设有中部空腔的压线板，若干加热棒的下端设有对应的各自导线，该导线经压线板至与控温系统相连，加热棒的上端设有铜加热套，该装置还包括设于隔热板内、对若干铜加热套进行冷却的冷却管。
进一步说，该装置还包括设于隔热板上端对有限元枝晶生长进行观察的透明玻璃。
再进一步说，本发明设置的冷却管包括两侧的分流管及排列设于该两侧分流管间的若干支管，所述支管从与其所在列的第一个铜加热套延伸至最后一个铜加热套。两侧的分流管上均设有水嘴接头。隔热板上还设有用于支撑冷却管的支撑板。
本发明采用上述装置进行热模拟的方法，包括如下步骤：将待模拟的有机物置于铜加热套的上端，通过控温系统经加热棒分别调控加热套的温度，再现枝晶生长凝固的环境条件，待铜加热套的温度达到目标温度后，保温并通过冷却管通过压缩空气对铜加热套进行冷却，模拟观察有限元枝晶生长过程。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该装置能够基于热相似原理再现枝晶生长凝固的环境条件，能够实时、直观地观察有机物凝固过程中的枝晶生长情况，并且能够高通量地研究不同加热温度、冷却速率下的枝晶生长过程，结构简单，采用该装置进行模拟的可操作性强，成本低，效率高。
附图说明
图1为本发明中装置的主剖视图；
图2为本发明装置的俯剖视图；
图3为本发明装置的仰剖视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其从下至上依次设有压线盖板12、压线板4、加热棒固定板3及隔热板1。
其中，隔热板1上设有若干通孔，该通孔内设置加热棒2及设于加热棒2上端的铜加热套5，隔热板1的顶端设有透明玻璃7，用于观察铜加热套5上端的有机物枝晶生长过程，隔热板1内同样开设有用于安设冷却管6的通孔，而该冷却管6优选可为设于若干加热棒2两侧的分流管8及设于两侧分流管8之间的若干支管9，支管9与其所在列的铜加热套5相对应，即其从与其所在列的第一个铜加热套5延伸至最后一个铜加热套5，如图2所示，支管9通过支撑板11进行支撑，如图3所示。两侧的分流管8上均设有水嘴接头10，通过该水嘴接头10通入压缩空气进行冷却，并可通过调节外设的解压阀以控制压缩空气通入量。加热棒固定板3上同样是设有与加热棒2相对应的通孔。
压线盖板12为中部空腔结构，其空腔内用于布设导线，而该导线一端与加热棒2相连接，另一端经压线盖板12延伸至该装置的外端，与控温系统相连接，而本发明采用的控温系统即为现有的公知的控温装置即可，且每个加热棒2均通过各自单独的导线与控温系统相连接。压线板4设于压线盖板12的底端，并通过六角沉头螺栓与压线盖板12、加热棒固定板3固定连接，该装置通过压线盖板12与工作台相接触。
本发明设置的加热棒2可为25个，等距分布在加热棒固定板3上，呈5×5正方形排列，支撑板11以5个为一组将加热棒2分组隔开。
本发明采用上述装置进行模拟的方法包括如下步骤：将待模拟的、相同质量的有机物至于铜加热套5的上端，通过控温系统经加热棒2分别调控铜加热套5的温度，待铜加热套5的温度达到目标温度后，保温一段时间，通过冷却管6通过压缩空气对铜加热套5进行冷却，并利用显微镜透过观察窗玻璃观察冷却过程中位于铜加热套5上方的有机物枝晶生长情况，此外可调节外置解压阀以控制压缩空气通入量，依次重复上述步骤，实现不同冷却速度下有机物枝晶生长过程的观察。
实施例1模拟不同温度下的枝晶生长过程
(1)取50g丁二腈晶体，均分成25等分，分别在铜加热套上方，利用控温系统通过加热棒将铜加热套的温度，分别加热至60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃和175℃，待温度达到目标温度后保温10分钟；
(2)打开水嘴接头通入压缩空气，实现对铜加热套的冷却，同时，利用显微镜透过观察窗玻璃观察冷却过程中位于不同铜加热套上方的丁二腈枝晶生长情况。
实施例2模拟不同速率下的枝晶生长过程
(1)取10g丁二腈晶体，均分成5等分，分别在铜加热套上方，利用控温系统通过加热棒将铜加热套的温度，均分别加热至60℃，待温度达到目标温度后保温10分钟；
(2)打开与水嘴接头相连接的压缩空气的通入阀门，将压缩空气的通入压力调节至2KPa，同时，利用显微镜透过观察窗玻璃观察通入该压缩空气量的情况下铜加热套上方的丁二腈枝晶生长情况；
(3)重复步骤(1)，然后打开与水嘴接头相连接的压缩空气的通入阀门，将压缩空气的通入压力调节至4KPa，同时，利用显微镜透过观察窗玻璃观察通入该压缩空气量的情况下铜加热套上方的丁二腈枝晶生长情况；
(4)重复步骤(1)，然后打开与水嘴接头相连接的压缩空气的通入阀门，将压缩空气的通入压力调节至6KPa，同时，利用显微镜透过观察窗玻璃观察通入该压缩空气量的情况下铜加热套上方的丁二腈枝晶生长情况。

Claims (7)

1.一种基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：该装置包括中部开设有若干通孔的隔热板(1)，设于若干通孔内的加热棒(2)及设于隔热板(1)下端、用于固定该若干加热棒(2)的加热棒固定板(3)，加热棒固定板(3)的下端设有中部空腔的压线板(4)，若干加热棒(2)的下端设有对应的各自导线，该导线经压线板(4)延伸至与控温系统相连，加热棒(2)的上端设有铜加热套(5)，该装置还包括设于隔热板(1)内、对若干铜加热套(5)进行冷却的冷却管(6)。
2.根据权利要求1所述基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：该装置还包括设于隔热板(1)上端对有限元枝晶生长进行观察的透明玻璃(7)。
3.根据权利要求1所述基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：所述冷却管(6)包括两侧的分流管(8)及排列设于该两侧分流管(8)间的若干支管(9)，所述支管(9)从与其所在列的第一个铜加热套(5)延伸至最后一个铜加热套(5)。
4.根据权利要求3所述基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：所述两侧的分流管(8)上均设有水嘴接头(10)。
5.根据权利要求1所述基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：所述隔热板(1)上还设有用于支撑冷却管(6)的支撑板(11)。
6.根据权利要求1所述基于有限元的枝晶生长过程热模拟装置，其特征在于：所述压线板(4)的下端设有压线盖板(12)。
7.采用权利要求1所述的装置进行热模拟的方法，其特征在于包括如下步骤：将待模拟的有机物置于铜加热套(5)的上端，通过控温系统经加热棒(2)分别调控铜加热套(5)的温度，待铜加热套(5)的温度达到目标温度后，保温并通过冷却管(6)通过压缩空气对铜加热套(5)进行冷却，模拟观察有限元枝晶生长过程。
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