淺談熔滴撞擊基板的凝固過程

——基于COMSOL的數值模擬

作者：極度喜歡上課

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一、引言

在之前寫的文章《淺談液滴撞擊過冷壁面過程中的結冰行為——基于COMSOL的數值模擬》[1]中，本人建立了純水液滴自由落體撞擊過冷壁面結冰的模型，并向大家簡要分析了純水液滴的結冰過程?；谇拔乃偨Y的經驗和方法，本文建立了熔融狀態(tài)銅熔滴撞擊銅基板的模型，并得到了銅熔滴凝固、銅基板融化變形、溫度變化等一系列具有研究價值的數據。希望能給研究相關方向的同學帶來一定的啟發(fā)。

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二、模型的建立

本文的模型采用二維軸對稱幾何維度進行建模，如圖1所示建立幾何結構圖，模型整體為長3毫米、高4毫米的矩形，其中半圓為銅熔滴，半徑為0.5毫米，圓心坐標為（0[mm]，1.5[mm]），模型下部分為基板，材料為銅，厚度為0.7[mm]。其中假定銅熔滴初始溫度為2000攝氏度，環(huán)境溫度為20攝氏度，銅基板側邊和底邊和外部環(huán)境進行自然對流換熱，換熱系數為200瓦每平方米乘以開氏度。

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三、結果分析和討論

如圖2所示，展示了不同時刻下銅熔滴與基板的形貌的變化。從圖中可以看出，在0-70毫秒內銅熔滴滴落在基板上，與基板發(fā)生接觸并逐漸發(fā)生融合、凝固。在60毫秒之后銅熔滴與基板的形貌不再變化，銅熔滴與基板成為整體并形成突起。從圖中還可以看出，銅熔滴在與基板接觸的瞬間，由于底部的空氣來不及逃逸，因此銅熔滴凝固之后會形成“氣眼”。

如圖3所示，展示了不同時刻下銅熔滴與基板的溫度。計算域中的溫度總體溫度分布規(guī)律為以銅熔滴為中心向四周擴散遞減。第10毫秒，當銅熔滴接觸基板時溫度迅速向基板擴散，基板與銅熔滴接觸的部分開始升溫，并最終融化和銅熔滴形成整體。

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如圖4所示，展示了不同時刻下銅熔滴與基板的相變過程，其中紅色部分為液態(tài)銅，藍色部分為固態(tài)銅。從圖中可以清晰的看到銅熔滴和基板的相變過程，在銅熔滴與基板發(fā)生融合之后，銅熔滴從底部開始發(fā)生凝固，并約在90毫秒左右完全凝固。

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如圖5所示，展示了不同時刻下銅熔滴熔池內部流體的運動情況。與圖4對應，熔池即為液態(tài)銅的部分，在熔池內液態(tài)銅會發(fā)生一定的流動。（本文模型忽略馬蘭戈尼效應）

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四、總結

本文通過COMSOL Multiphysics軟件建立了本文建立了熔融狀態(tài)銅熔滴撞擊銅基板的模型，并得到了銅熔滴凝固、銅基板融化變形、溫度變化等一系列具有研究價值的數據。文中的模型為本人的原創(chuàng)案例，請大家理性看待。

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參考資料

[1]https://www.bilibili.com/read/cv22042621

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