维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第２期 ２００７年６月 热 科 学 与 技 术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．６ ＮＯ．２ Ｊｕｎ．２００７ 文章编号：１６７１－８０９７（２００７）０２－０１１３－０６ 氯化铵水溶液定向凝固实验的传热分析 张国志， 冯妍卉 ， 张欣欣， 聂 （北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京 １０００８３） 红 摘要：选用类合金ＮＨ Ｃ１．Ｈ。Ｏ二元溶液进行垂直定向凝固实验研究，再现过共晶合金结晶过程，测量记录凝 固过程中的温度场和固、液相界面位置；重点分析了两相区的传热特性，包括局部热流和释放潜热，并尝试用 实验数据与数值计算相结合的方法确定两相区局部固相分数与温度的关系曲线。研究表明：在结晶过程中， 各点温度呈线性下降，局部热流在进入两相状态后达到峰值；各相区内温度梯度恒定，但相界面附近温度梯度 变化显著。两相区凝固过程中，先期潜热释放总量大，总凝固分数大，两相区厚度迅速增长；随后总凝固分数 随相界面迅速上移而急剧下降，经历准稳态过程后再缓慢上升。溶液沿凝固方向分层，ＮＨ Ｃ１质量分数逐渐 增大，相应结晶温度逐渐升高。 关键词：定向凝固实验；ＮＨ Ｃｌ—Ｈ ０溶液；传热；凝固分数；局部热流 中图分类号：ＴＱ０２６．５ 文献标识码：Ａ ０ 引 言 理参数是孔隙度，而凝固系统两相区的孔隙度很 大程度上取决于凝固分数。相变数值模拟中，潜热 的计算和热物性的取值都涉及凝固分数值。许多 学者先后尝试着实验测量或数值计算来获得凝固 分数值［ｓ ］。实践表明，这两种方法都有其不足：实 验测量难以直接、准确测得真实凝固分数值；数值 计算往往先假设结晶过程是严格的平衡凝固，与 实际存在本质性的偏差，故计算结果常常只能作 为参考。 本文选用类合金ＮＨ Ｃｌ—Ｈ ０二元溶液开展 垂直定向凝固实验研究，再现过共晶合金结晶过 程，跟踪记录相界面位置，实时测量凝固过程中的 温度场。根据实验数据，利用相变数值计算来确定 凝固过程中两相区的局部热流、释放潜热和凝固 分数（包括总凝固分数和局部凝固分数），以期为 定向凝固实验研究、理论分析和数值计算提供参 考。 定向凝固技术可控制晶体生长的择优方向， 减少晶界面，提高材料耐高温和特定方向的受力 性能。凝固过程中，溶质再分配，同时热量传递，固 液两相区内形成低温稀溶液层，改变溶液凝固温 度并引起热、质自然对流（即双扩散对流）［１ ］，使 温度和浓度分布复杂化，改变晶体生长环境，影响 晶体结构及最终凝固组织形态。定向凝固组织形 态及其演化一直是现代凝固研究的核心问题之 一，借助新的实验设备与方法，可在定性描述的基 础上逐步量化，以期进一步深入研究材料的凝固 行为。 凝固行为主要发生在两相区内。两相区是由 枝晶构成骨架，之间充满液体，呈类多孔介质状形 态，几何结构和尺度具有随机特性，同时对其间流 体流动以及溶质扩散有极其重要影响。研究类多 孔介质结构以及内部流体流动，一个最基本的物 收稿日期：２００７—０１—０９；修回日期：２００７—０４—３０． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７６０１０）． 作者简介：张国志（１９８１一）男，湖北武穴人，硕士生，主要从事定向凝固过程的实验研究；冯妍卉 （１９７４一），女，四川蓬溪县人，副 教授，主要研究领域为热过程数值模拟、相变传热、微尺度传热传质． 维普资讯 http://www.cqvip.com 热 科 学 与 技 术 第６卷 １ 实验装置及步骤 实验系统包括二部分：实验本体（图１）和数 据与图像采集系统（图２）。结晶器采用有机玻璃 （聚甲基丙烯酸甲酯）制作，外包丙烯酸绝热套。 结晶室腔体尺寸为９５ ｍｍ×５０ ｍｍ×３ ｍｍ。冷 却介质经低温浴槽恒温控制，循环流入结晶器底 部的冷却室，冷却实验本体的下端，实现定向冷凝 过程。结晶器壁沿高度方向安有２０个Ｐｔｌ００型热 敏电阻（从下往上，依次标记为１点、２点、３点 …为１５℃），初始温度为１９℃，溶液配制完后静置 １０ ｒａｉｎ，待内部均匀后，开始进行实验。冷却介质 温度控制为一２５℃，冷却速率为０．０１５ Ｋ／ｓ，低 速凝固。实验模拟过共晶合金定向凝固行为，晶体 的主要成分是ＮＨ Ｃｌ。 ２ 温度特性和界面迁移 制冷循环器启动１７ ｒａｉｎ后，溶液开始结晶，１ 点温度值为一０．９℃。虽１点离结晶器底部有 ２．８０ ＩＴＩＩＴＩ的距离，但足可说明结晶温度远低于初 始溶液质量分数所对应的液相线温度，过冷度约 为１０℃，此为动态过冷度，远大于实际过冷度。结 ２０点），用于测量不同时刻高度方向上的温度 分布。实时图像拍摄系统由ＣＣＤ摄像仪、三维立 体定位装置、显微镜头及图像采集卡等部件组成； 显微镜头安装在定位装置上，便于进行空间跟踪 观察。 晶器底部两侧率先生长出絮状晶体，中部随后出 现，终布满整个底部；伴随发生溶质再分配，垂直 方向的溶液浓度场、温度场都将发生变化。图３是 １点至１０点的冷却曲线，ｌ１点至１７点有类似冷却 曲线，１８点、１９点和２０点，远离冷源，温度下降幅 度很小。从图３可以看出，各点在结晶过程中，温 度近线性下降，后期稳定。实验结束时，固相线的 位置止于３点、４点之间，１点、２点、３点处于纯固 态，温度均降至共晶点温度（一１５．４℃）以下。 １结晶器；２丙烯酸绝热套；３冷却室；４低温浴槽 图１ 实验装置 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｐｐａｒａｔｕｓ 热电阻 温度汁 光线 图３ 凝固过程中各点温度动态变化 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ａｔ ｓｅｖｅｒａｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ 结晶器 不同时刻，结晶器内高度方向的温度分布如 图４所示。固相线温度分别为一１５．３、一１４．８、一 图２ 温度测量与图像采集系统示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ ｔａｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ １５．３、一１５．７℃，均接近共晶点温度（一１５．４ ℃）。固相、两相和液相区内，温度曲线均近似为直 线，温度梯度恒定；但由于相区内部凝固潜热释放 实验用ＮＨ Ｃ１一Ｈ Ｏ溶液作为凝固介质，初始 质量分数是２６ （ＮＨ Ｃ１ ｗｔ ）（相应液相线温度 量的差异，影响了热流值，各相区的温度梯度值相 互之间有明显差异。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 张国志等：氯化铵水溶液定向凝固实验的传热分析 ｌ１５ ／℃ （ｃ）１０２ ｍｉｎ 图４ 凝固方向的温度分布 Ｆｉｇ．４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ａｌｏｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ 凝固过程中相界面位置以及两相区厚度的 变化如图５所示。固相线、液相线界面上升速率不 ３ 两相区特性分析 同步，且固相线界面持续升高，而液相线界面末期 ３．１ 传热特性 有下降。图５（ｂ）显示两相区的厚度经历了三个快 忽略流体流动的影响，用傅里叶定律计算１ 速增长阶段，每个阶段增长速率恒定，分别为３．３０ 点（高度为２．８Ｏ ｒａｍ）、２点（高度为４．８８ ｒａｍ）、３ ×１０一。ｍｍ／ｓ、１．６０×１０一。ｍｍ／ｓ、０．５５ Ｘ １０一。 点（高度为７．８４ ｒａｍ）、５点（高度为１２．６８ ｒａｍ）在 ｍｍ／ｓ，并逐渐减缓，后期两相区厚度下降并趋于 凝固过程中的热流变化，如图６所示。由图６可 稳定。显然是先期制冷循环器供给的冷量传导占 见，先期结晶器内溶液与冷源温差大，热流持续迅 主导作用，温度梯度大，结晶迅速；后在凝固释放 速增大，靠近冷源的点１、点２的热流增长更快；各 的潜热以及双扩散流作用下，温度梯度变小，结晶 点开始凝固后，热流达到峰值。后期１点、２点热流 受阻，速度放缓，这将在下面两相区传热特性部分 随着进入纯固态迅速减小并最终稳定；３点进入 给出定量描述。至于凝固前沿的下降，主要由于： 纯固态后，受到附近的固相一两相界面（介于３、４ １）双扩散流强化热量迁移，局部枝晶温度升高， 点之间）凝固潜热释放的影响，热流减小缓慢；而 枝晶出现退化；２）实验中为打光拍摄，取下结晶 ５点的热流减小不明显，基本稳定，是由于该点及 器外壁的绝热套，导致部分枝晶融化。 以上区域始终没有完全固化。 ２ ０００ １ ８００ １ ６００ —１ ４００ １ ２００ 争１ ０００ ≥８００ ２８８ ２００ ０ —２００ 图６ 局部热流 ｄｌＯ３ ｓ ｔ／ｌＯ３ ｓ Ｆｉｇ．６ Ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｔ ｓｅｖｅｒａｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ （ａ）固、液相线位置 （ｂ）两相区厚度 图７给出了固相区、液相区内的热流以及两 图５ 相界面位置及两相区厚度的变化 相区潜热释放热流。认为纯相区内热流均匀分布， Ｆｉｇ．５ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ａｎｄ ｇｒｏｗｔｈ 根据热量平衡，固相区、液相区内的热流之差即为 ｏｆ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ 两相区的凝固潜热释放热流，如图７（ｂ）所示：释 维普资讯 http://www.cqvip.com 热 科 学 与 技 术 第６卷 放的凝固潜热随着凝固过程的进行逐渐减小，而 后趋于稳定。 １ ４００ １ ２００ １ ０００ ｇ ８００ 壶６００ ４００ ２００ Ｏ ｄｌＯ３ Ｓ ｄｌＯ３ Ｓ （ａ）固、液相区内热流 （ｂ）两相区潜热释放 图７ 固相、液相区热流及两相区潜热释放热流 Ｆｉｇ．７ Ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄ ｓｏｌｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｉｎ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ ３．２ 两相区凝固分数 ３．２．１ 总凝固分数 忽略对流换热，认为仅有导热。在固相一两相 界面处存在热平衡式： 一 一 一 言ｃ 一 ）） （１） 在液相一两相界面处有热平衡式： 图８ 两相区总凝固分数 一 一 一 言（姒） Ｆｉｇ．８ Ｔｏｔａｌ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ （２） 式（１）、（２）等号右边第二项分别为凝固过程中固 相一两相界面、液相一两相界面潜热释放的速率。 根据两相区内温度曲线近似为直线（参见图４）， 假定两相区内热流均匀，则有 一 一 ㈤ 式（１）和（２）叠加可得 图９ 两相区总凝固分数与两相区厚度关系 一 （ ） 一一 （ ）一 —ｐｈ－￣（Ｈ。ｃ 一 Ｆｉｇ．９ Ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ 厂ｓ）＋Ｈ 厂ｓ） （４） ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ Ｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ 其中， 是两相区的总凝固分数。根据实验数据通 过式（４）计算得到厂ｓ值，如图８所示。两相区凝固 ３．２．２ 局部凝固分数 分数经历了迅速减小，准稳态过程和缓慢增大三 沿高度方向，以各测温点为中心，将结晶器划 个阶段。 分为若干单元体。建立单元体的能量微分方程： 图９是在两相区厚度持续增长过程中，两相 ＋ ・［－（ｃｐｐ）ｍ，， 一 ・（ ）＋ 区厚度与总凝固分数的关系图。与图５（ｂ）结合分 析可知：在两相区厚度迅速增长的第１阶段里，凝 导（Ｐｓ＾ ） （５） 固分数呈线性下降；在第２、第３阶段里，两相区厚 不计流体流动，并认为ＮＨ Ｃ１一Ｈ。Ｏ二元溶液 度增长速度减缓，随着结晶的继续，凝固分数逐渐 （ｃ ｌＤ） 的变化不大，式（５）简化为 增大，但在第２阶段，凝固分数是非线性增长，不 同于第３阶段。 （ ｌＤ） 詈一 ・（ ）＋詈（Ｐｓ＾ ） （６） 其中温度直接取自实验测量数据；固相分数 待 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 张国志等：氯化铵水溶液定向凝固实验的传热分析 １１７ 求；物性参数计算如下： ＝厂ｓ ＋（１一厂ｓ） （７） （ｃｐｌＤ） ＝厂ｓ（ｃｐｌＤ）。＋（１一厂ｓ）（ｃｐｐ）ｌ （８） 对控制方程进行数值求解，得到局部凝固分 数厂ｓ与温度的关系，如图１Ｏ所示。计算点５、６的 高度分别为１２．６８和１５．１０ ｍｍ。从图１Ｏ可以看 出，两点的厂ｓ一 曲线形式一致，但与已有的理论模 型计算结果有较大差异，分析认为本文计算中所 采用的温度数据完全取自于实验测量，具有真实 性，但是动态的，远偏离平衡态，估计算结果与理 论模型有出入。另，５、６两点的溶液质量分数不 同，凝固过程中对应的具体温度值不同，６点的结 晶温度高于５点。分析认为：晶体结晶过程中，向 外排溶质（Ｈ。Ｏ），降低附近溶液中的ＮＨ Ｃｌ质量 分数，底部稀冷液体向上流动，促使整个结晶器内 溶液质量分数分层［７］，形成由下至上ＮＨ Ｃｌ质量 分数逐渐增大的质量分数场（见示意图１１），相应 ４ ２ ０ 一２ －－４ —６ —８ —１０ 图１Ｏ 两相区局部固相分数与温度的关系 曲线 Ｆｉｇ．１Ｏ Ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｍｅ ａｔ ｔｗｏ ｐｏｉｎｔｓ ｉｎ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ 图１１ 溶液质量分数分层示意图 Ｆｉｇ．１１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｃｅｎｔ ｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ 液相线温度依次升高，在溶液均匀、形核形式一 致，即结晶所需过冷度相同的条件下，６点的结晶 温度高于５点。 ４ 结 论 选用类合金ＮＨ Ｃｌ—Ｈ。Ｏ二元溶液开展了垂 直定向凝固实验研究，测量相变温度场及相界面 位置，并对两相区局部热流、释放潜热和凝固分数 进行计算，主要结论如下： １）凝固过程中，各相区内温度分别呈线性分 布，由于潜热释放的差异，相界面附近温度梯度有 显著变化；局部热流在进入两相状态后达到峰值。 ２）结晶过程中，先期释放潜热热流大，两相 区厚度经历三个迅速增长段，速率分别为３．３Ｏ× １０一。ｍｍ／ｓ、１．６Ｏ×１Ｏ×一。ｍｍ／ｓ、０．５５×１０一。 ｍｍ／ｓ，后期，两相区厚度下降并趋于稳定。 ３）随着凝固的进行，两相区总凝固分数经历 迅速减小、准稳态过程和缓慢增大三个阶段。 ４）根据温度测量数据，利用数值计算确定了 两相区局部固相分数与温度的关系曲线。 ５）晶体结晶过程中，结晶器内溶液质量分数 分层，形成由下至上ＮＨ Ｃｌ质量分数逐渐增大的 浓度场，相应液相线温度依次升高，在结晶所需过 冷度相同的条件下，上部点的结晶温度高于下部 点。 主要符号： 比定压热容，（ ）。＝１ ８７０ Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）， （ ）Ｉ一３ ２４９ Ｊ／（ｋｇ・Ｋ） 凝固分数 单位质量凝固潜热释放量，ｈ一３．１３８× １０ Ｊ／ｋｇ 凝固方向高度，ｍｍ 液相线界面高度，ｍｍ 固相线界面高度，ｍｍ 热流密度，Ｗ・ｍ 速度矢量，ｍ／ｓ 温度，℃ 热导率， ＝０．３９３ Ｗ／（ｍ・Ｋ），＾一０． ４６８ Ｗ／（ｍ・Ｋ） 』Ｄ 密度， 一 ＝１ ０７８ ｋｇ‘ｍ 下标 ｌ 液态的 ｍ 两相区的 Ｓ 固态的 维普资讯 http://www.cqvip.com １１８ 热 科 学 与 技 术 第６卷 ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｌｕｍｅｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ 致谢： ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ａ ｂｉｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｔ Ｊ 感谢清华大学热能工程系相交与界面传递现 Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２００３，４６（２３）：４４８９—４４９７． 象实验室对本实验的帮助。 ［５］ＨＵＰＰＥＲＴ Ｈ Ｅ，ＷＯＲＳＴＥＲ Ｍ Ｇ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｎａｒｙ 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ｍｅｌｔ［Ｊ］．Ｊ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１９９１，１１３（４）： ５６６—５７４． Ｅ１ ３ ｗｏＲＳＴＥＲ Ｍ Ｇ．Ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｕｓｈｙ ［６］ＣＨＩＡＲＥＬＩ Ａ ｏ Ｐ，ＷＯＲＳＴＥＲ Ｍ Ｇ．．Ｏｎ ｌａｙｅｒ［Ｊ］．Ｊ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ，１９９１，２２４（３）：３３５－３５９． ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ［２］ＣＨＥＮ Ｃ Ｆ，ＣＨＥＮ Ｆ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｗｉｔｈｉｎ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒｓ［Ｊ］．Ｊ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１９９２， ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｑｕｅｏｕｓ ａｍｍｏｎｉｕｍ １２５（３）：４８７—４９４． ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ “ Ｍｅｃｈ，１９９１，２２７（６）： ［７］ＮＩＳＨＩＭＵＲＡ Ｔ，ＩＭ０Ｔ０ Ｔ。ＭＩＹＡＳＨＩＴＡ Ｈ． ５６７—５８６． Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ—ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ［３］ＣＨＡＮＧ Ｍ Ｈ，ＣＨＥＮ Ｆ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｅ ｍｕｓｈ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｌａｙｅｒ ｂｅｌｏｗ［Ｊ］．Ｊ ［Ｊ］．Ｉｎｔ Ｊ Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９４，３７（１０）： Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２００３。２５５（４）：３６９－３７８． １４５５—１４６４． ［４］ＮＩＳＨＩＭＵＲＡ Ｔ，ＳＡＳＡＫＩ Ｊ，ＨＴ００ Ｔ Ｔ．Ｔｈｅ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｑｕｅｏｕｓ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌ ｏｒｉｄｅ ｓｏｌ ｕｔｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏ—ｚｈｉ，ＦＥＮＧ Ｙａｎ—ｈｕｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎ－ｘｉｎ，ＮＩＥ Ｈｏｎｇ （Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｔｈｅｒｍ．Ｅｎｇ．，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．，Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｔｅｃｈ．Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ａ ｂｉｎａｒｙ ＮＨ４Ｃ１一Ｈ２Ｏ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｏｌｅｄ ｆｒｏｍ ｂｅｌｏｗ ｉｎ ａ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃａｖｉｔｙ．Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｗｅｒｅ ｔｒａｃｅｄ ｔｉｍｅｌｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ ｉｎｃｌｕｉｄｉｎｇ ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ ｗａｓ ｔｅｎｔａｔｉｖｅｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ．Ｉｔ ｔｕｒｎｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｌｏｃａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅｓｃｅｎｄｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ｒｅａｃｈｅｓ ｉｔｓ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ａｆｔｅｒ ｌｏｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｉｎｔｏ ｍｕｓｈｙ ｓｔａｔｅ；ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ａｌｍｏｓｔ ｋｅｅｐｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｉｎ ｅａｃｈ ｐｈａｓｅ ｌａｙｅｒ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｄｉｆｆｅｒｓ ｆｒｏｍ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ｄｕｅ ｔｏ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｍｕｓｈｙ ｌａｙｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ａｔ ｆｉｒｓｔ ｄｕｅ ｔｏ ｈｉｇｈ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｌａｔｅｎｔ ｈｅａｔ ｒｅｌｅａｓｉｎｇ；ｔｈｅｎ ｉｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｑｕｓｉ—ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｇｒｏｗ ｓｌｏｗｌｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏｌｕｔｅ（ＮＨ４Ｃ１） ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｉｓｅｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ａｑｕｅｏｕｓ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ：ｌｏｃａｌ ｈｅａｔ ｆｌｕｘ
