各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶生长的影响

利用匹配渐近展开法和多变量展开法求出定向凝固深胞晶生长的浓度场和界面形态的全局渐近解,研究各向异性表面张力对定向凝固深胞晶生长的影响.结果表明,各向异性表面张力对定向凝固过程深胞晶生长有显著的影响.随着各向异性表面张力增大,胞晶前端部分浓度减小而胞晶界面收缩;胞晶根部的浓度增大而界面曲率增大或根部的曲率半径减小,各向异性表面张力使得深胞晶界面振幅增加.本文结果能够计算定向凝固过程中深胞晶生长的浓度、界面形态.     

界面能各向异性对定向凝固枝晶生长的影响

采用元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固枝晶生长的影响. 模拟结果显示当晶体的择优生长方向与热流方向一致时, 随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由弱界面能各向异性时的海藻晶转变为强界面能各向异性时的树枝晶. 同时, 界面能各向异性强度会影响稳态枝晶尖端状态的选择, 界面能各向异性越强, 定向凝固稳态枝晶尖端半径越小, 尖端界面前沿的液相浓度和过冷度越小. 稳态枝晶生长的尖端状态选择参数与界面能各向异性强度也存在标度律的指数关系, 而枝晶一次间距则受界面能各向异性强度影响较弱. 当晶体的择优生长方向与热流方向呈-40°夹角时随着界面能各向异性强度的增大, 凝固组织形态由海藻晶逐渐转变为退化枝晶, 后又逐渐转变为倾斜枝晶. 关键词： 元胞自动机 枝晶 界面能各向异性     

各向异性作用下合金定向凝固界面稳定性的渐近分析

采用渐近分析方法对考虑了界面能各向异性的单相二元合金平界面定向凝固过程进行了线性稳定性分析,得到了特定条件下的零级、一级渐近解,并通过对长波段渐近解的讨论得出了适用于整个波段的色散关系.分析表明零级渐近解等效于成分过冷理论,而一级渐近解则与M-S稳定性理论一致.在稳定状态控制参数(抽拉速度和温度梯度)的选择图中,界面能各向异性增大了不稳定区域,且在高速和高温度梯度时的影响更强. 关键词： 定向凝固 界面稳定性 渐近分析 各向异性     

各向异性表面张力对深胞晶界面形态稳定性的影响

应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究各向异性表面张力对定向凝固中深胞晶界面形态稳定性的影响, 通过寻找定向凝固系统的模式解获得了深胞晶界面形态满足的量子化条件. 结果表明, 与各向同性的定向凝固系统中深胞晶界面形态稳定性比较, 考虑各向异性表面张力的定向凝固中深胞晶生长界面形态也有两种整体不稳定性机制: 整体波动不稳定性和低频不稳定性. 随着各向异性表面张力的增加, 中性模式产生强振荡的枝晶结构的整体波动不稳定性的不稳定区域减小, 中性模式产生弱振荡的胞晶结构的低频不稳定性的不稳定区域增加.     

各向异性作用下合金定向凝固界面稳定性的渐近分析

采用渐近分析方法对考虑了界面能各向异性的单相二元合金平界面定向凝固过程进行了线性稳定性分析，得到了特定条件下的零级、一级渐近解，并通过对长波段渐近解的讨论得出了适用于整个波段的色散关系.分析表明零级渐近解等效于成分过冷理论，而一级渐近解则与M-S稳定性理论一致.在稳定状态控制参数(抽拉速度和温度梯度)的选择图中，界面能各向异性增大了不稳定区域，且在高速和高温度梯度时的影响更强.     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响

通过应用匹配渐近展开法和多变量展开法研究了各向异性界面动力学与各向异性表面张力的相互作用对定向凝固过程中深胞晶生长的影响.结果表明:当各向异性界面动力学与各向异性表面张力的偏好方向之间相差角度为θ_0时,θ_0会对深胞晶生长形态产生影响;当0≤θ_0≤π/4时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长减小,深胞晶根部的深度减小,根部附近界面的曲率减小,而曲率半径增大;当π/4≤θ_0≤π/2时,随着θ_0的增大,深胞晶的指状界面全长增大,深胞晶根部的深度增大,根部附近界面的曲率增大,而曲率半径减小.     

用CA方法模拟界面能各向异性对胞晶生长形态的影响

用元胞自动机（CellularAutomaton,CA）模型研究了界面能各向异性对二维定向凝固胞晶的生长形态的影响,建立了判定胞晶生长达到稳态的判据．结果显示,当界面能各向异性强度非常小时,胞晶尖端很容易分岔,胞晶形态不容易稳定．而当界面能各向异性强度足够大时,容易形成稳定的胞晶形态,同时界面能各向异性强度会显著影响稳定胞晶的形态,界面能各向异性越强,稳态胞晶间距越小,胞晶尖端半径越小,尖端半径与胞晶间距的比值越小,固液界面前沿的浓度与过冷度越小．     

纯物质自由枝晶生长特征的Fourier变换研究

本文用光学中Fourier变换的概念和方法处理纯物质自由枝晶尖端前沿的热势波传输问题,进而描述其凝固界面生长形态变化特征。具体做法是:先将热势波与枝晶端部作用后的传播过程用Fourier变换表示出来,从而求得了热势的空间分布,再由热势的分布特征反推出枝晶尖端界面生长形态的演化特点。这种方法还可简洁地处理界面能各向异性对界面凝固生长特征的作用问题。     

基于MeshTV界面重构算法的二元合金自由枝晶生长元胞自动机模型

本文基于MeshTV界面重构算法, 发展了二元合金凝固自由枝晶生长的元胞自动机 (cellular automaton, CA) 模型. 通过采用MeshTV界面重构算法, 在细化的界面元胞内重构出了固液界面的位置. 在此基础上, 发展了一种同时适合描述纯物质与合金凝固界面生长的动力学模型. 与非界面重构的CA模型相比, 本文所发展的模型可以在较大的网格尺寸下实现模型的收敛, 同时网格各向异性不明显, 且能够反映界面能各向异性参数ε 对自由枝晶生长的影响. 在ε =0.02时, 通过与描述自由枝晶生长的LGK理论模型相比较, 发现计算的枝晶尖端速度与LGK理论模型的预测符合较好, 而计算的枝晶尖端半径比LGK理论预测值大于约20%.     

相场模型模拟液固界面各向异性作用下自由枝晶生长

采用自适应有限元方法求解相场模型,分别对界面能各向异性和界面动力学各向异性条件下自由枝晶生长过程进行了模拟.计算表明两种各向异性均显著影响枝晶的生长,随着各向异性的增大枝晶尖端生长速度增大,尖端半径降低. 两种各向异性对自由枝晶生长有着不同形式的影响,在界面能各向异性条件下,枝晶生长稳定性系数与各向异性系数成幂函数关系;而在动力学各向异性条件下,稳定性系数与各向异性系数成线性关系. 关键词： 界面能各向异性 动力学各向异性 自由枝晶生长 相场模型     

界面各向异性影响冰晶生长的相场法研究

采用Wheeler模型对果蔬速冻保鲜工艺中的冰晶生长过程进行模拟,研究了各向异性模数、界面能各向异性强度对冰晶生长行为的影响。结果表明:当各向异性模数在(2,6]之间取值时,随着各向异性模数的减小,冰晶形貌的对称性重数降低;在各向异性模数取6时,随着界面能各向异性强度的增加,冰晶形貌由六角星向六重对称发达枝晶转变。因此,通过降低各向异性模数和界面能各向异性强度,能够抑制大冰晶的形成。     

横向各向同性柱状复合结构对超声波的散射

首先描述了横向各向同性复合圆柱结构的入射声场、散射声场及内部的驻波声场，然后利用转移矩阵方法导出了求解散射声场的方程组，计算了铝／各向异性界面层／纤维复合结构对斜入射声波的背向散射谱和散射截面积。将柱状复合结构中各向异性界面薄层相应的转移矩阵作渐近展开，建立了模拟这种界面薄层的弹簧模型及界面处广义边界条件。结果表明，模型中劲度常数仅依赖于界面薄层厚度及界面层媒质的弹性常数Ｃｌｌ，Ｃ１２和Ｃ４４，而振子质量与Ｃｌｌ，Ｃ４４，Ｃ１３和Ｃ３３有关。     

元胞自动机方法模拟枝晶生长

为了能够准确反映具有明显界面的枝晶生长过程，利用元胞自动机方法模拟了凝固过程中固液两相具有不同热物理性质的枝晶生长.在模拟过程中发现，凝固过程中溶质易于富集在枝晶臂之间，同时随着凝固时间的延长，界面前沿的溶质浓度梯度和温度梯度逐渐下降.利用模拟所得的枝晶尖端半径与理论计算的相比较，发现随着枝晶尖端速度的增加，枝晶尖端半径逐渐下降，模拟与理论结果符合较好，偏差小于1μm. 关键词： 枝晶生长 凝固 偏析 模拟     

磁场及体各向异性对面心立方双层铁磁薄膜能带的影响

利用二次量子化方法研究了由相同面心立方结构(100)材料构成的铁磁性双层薄膜,重点讨论了磁场及体各向异性对面心立方双层铁磁薄膜能带的影响.结果表明,无论界面为铁磁性界面交换作用或反铁磁性界面交换作用,磁场及各向异性场对对称薄膜中的自旋波存在方式及整个能带形状没有影响,只是影响整个激发模的能量.磁场和各向异性常数越大,自旋波能量越高.     

过冷水滴凝固特性的计算与实验研究

针对飞机结冰的特殊凝固过程,基于Enthalpy-porosity模型,发展了改进的结冰特性预测模型及数值计算方法,并基于凝固实验开展了所建模型及预测方法的验证。研究表明,相对于传统Enthalpy-porosity方法,所发展的方法可有效表征非平衡凝固过程,因而对冷水滴凝固特性的表征具有较好的改进。基于所建方法,开展了水滴凝固特性的影响因素分析,获得了不同过冷条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供重要参考。     

二元合金高速定向凝固过程的相场法数值模拟

利用相场法对二元合金高速定向凝固过程进行了模拟，为简化计算，采用了温度冻结近似.模拟了定向凝固时平界面失稳、界面形态演化、溶质浓度分布以及高速绝对稳定性条件下胞晶向平面晶的转变等，得到了不同抽拉速度下胞晶间距、胞晶尖端温度以及有效溶质分配系数等参数，显示了高速生长条件下的溶质截留效应. 关键词： 定向凝固 相场法 高速绝对稳定性 溶质截留     

分析金属熔滴快速凝固过程的双倒易边界元方法

本文发展了非线性边界条件相变传热过程的轴对称双倒易边界元方法,数值模拟了金属熔滴在快速冷却条件下的快速凝固过程。分别研究了在微重力落管和落塔中及喷射成形过程中金属熔滴的快速凝固过程,得到了过冷度,再辉时间,温度变化及相变界面随时间的变化等数值结果。     

六方小面相螺旋在各向异性、表面吸附、界面动力学作用下生长的相场

利用定量相场模型研究了强各向异性、表面吸附率以及界面动力学作用条件下六方Ga N螺旋结构的表面形貌与生长机理.通过引入小面相各向异性的相场修正方程,研究了不同各向异性的稳态螺旋形貌,发现各向异性通过改变台阶尖端的曲率作用影响螺旋生长.弱各向异性下稳态螺距及界面动力学特征相对稳定,各向异性较强时尖端的过饱和度随着各向异性的增强而增大,并使得界面平衡态向着有利于螺旋台阶推进的方向移动.研究了表面吸附率对小面相螺旋生长的作用机理,发现吸附率的增加导致了稳态螺旋间距的降低,通过分析螺旋间距随台阶宽度的变化趋势,发现增强的表面吸附和各向异性强度降低了螺旋间距的收敛性,并且具体分析了收敛性误差;通过探讨界面动力学作用条件下螺旋形貌特征以及螺旋间距变化趋势,发现界面动力学系数通过改变稳态螺旋间距与特征指数因子调控螺旋生长的动力学机理,与各向同性相比小面相螺旋生长表现出较低的界面动力学系数依赖性.     

三维多相场数值模拟共晶CBr4-C2Cl6合金在不同抽拉速度下的形态选择

利用KKSO多相场模型对定向凝固共晶CBr4-C2Cl6合金的三维恒速及变速生长过程进行了研究,再现了不同抽拉速度下共晶形态演化及选择过程,建立了形态选择图,研究了变速过程的界面平均生长速度及界面平均过冷度的变化.结果表明,变速前后的形态选择与恒速下的形态选择一致;变速过程的形态演变、界面平均生长速度和界面平均过冷度的变化均产生滞后效应;界面平均生长速度和界面平均过冷度之间的关系与理论结果符合较好.