浅谈熔滴撞击基板的凝固过程——基于COMSOL的数值模拟
浅谈熔滴撞击基板的凝固过程
——基于COMSOL的数值模拟
作者：极度喜欢上课
在之前写的文章《浅谈液滴撞击过冷壁面过程中的结冰行为——基于COMSOL的数值模拟》[1]中，本人建立了纯水液滴自由落体撞击过冷壁面结冰的模型，并向大家简要分析了纯水液滴的结冰过程。基于前文所总结的经验和方法，本文建立了熔融状态铜熔滴撞击铜基板的模型，并得到了铜熔滴凝固、铜基板融化变形、温度变化等一系列具有研究价值的数据。希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。本文的模型采用二维轴对称几何维度进行建模，如图1所示建立几何结构图，模型整体为长3毫米、高4毫米的矩形，其中半圆为铜熔滴，半径为0.5毫米，圆心坐标为（0[mm]，1.5[mm]），模型下部分为基板，材料为铜，厚度为0.7[mm]。其中假定铜熔滴初始温度为2000摄氏度，环境温度为20摄氏度，铜基板侧边和底边和外部环境进行自然对流换热，换热系数为200瓦每平方米乘以开氏度。
如图2所示，展示了不同时刻下铜熔滴与基板的形貌的变化。从图中可以看出，在0-70毫秒内铜熔滴滴落在基板上，与基板发生接触并逐渐发生融合、凝固。在60毫秒之后铜熔滴与基板的形貌不再变化，铜熔滴与基板成为整体并形成突起。从图中还可以看出，铜熔滴在与基板接触的瞬间，由于底部的空气来不及逃逸，因此铜熔滴凝固之后会形成“气眼”。
如图3所示，展示了不同时刻下铜熔滴与基板的温度。计算域中的温度总体温度分布规律为以铜熔滴为中心向四周扩散递减。第10毫秒，当铜熔滴接触基板时温度迅速向基板扩散，基板与铜熔滴接触的部分开始升温，并最终融化和铜熔滴形成整体。
如图4所示，展示了不同时刻下铜熔滴与基板的相变过程，其中红色部分为液态铜，蓝色部分为固态铜。从图中可以清晰的看到铜熔滴和基板的相变过程，在铜熔滴与基板发生融合之后，铜熔滴从底部开始发生凝固，并约在90毫秒左右完全凝固。
图4 不同时刻下铜熔滴与基板的相变图
如图5所示，展示了不同时刻下铜熔滴熔池内部流体的运动情况。与图4对应，熔池即为液态铜的部分，在熔池内液态铜会发生一定的流动。（本文模型忽略马兰戈尼效应）
图5 不同时刻下铜熔滴熔池内部流体运动情况图
本文通过COMSOL Multiphysics软件建立了本文建立了熔融状态铜熔滴撞击铜基板的模型，并得到了铜熔滴凝固、铜基板融化变形、温度变化等一系列具有研究价值的数据。文中的模型为本人的原创案例，请大家理性看待。著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-05-11
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