强迫对流影响二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

在二元合金相场模型的研究基础上,建立了耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,采用Simple算法求解质量和动量守恒方程,用交替隐式有限差分法求解温度控制方程,模拟了流场作用下二元合金等温和非等温凝固过程中枝晶的生长过程,研究了流场对枝晶生长形貌、溶质场和温度场分布情况的影响,将流场作用下二元合金等温和非等温凝固枝晶生长过程进行比较,分析了由于凝固潜热的释放对流场作用下凝固枝晶生长的影响． 关键词： 相场法 对流 非等温凝固 枝晶生长     

对流作用下枝晶形貌演化的数值模拟和实验研究

合金凝固过程中存在于枝晶尖端液相区的强制对流和自然对流均能改变溶质扩散层厚度,从而会对枝晶形貌产生较大影响.在元胞自动机模型基础上,耦合液体流动方程、热传导方程和溶质对流扩散方程,建立了新的计算微观组织演化的数值模型,并利用该模型研究了强制对流和自然对流对枝晶生长的影响.三维数值模拟结果再现了强制对流作用下等轴枝晶的生长过程,揭示了强制对流对枝晶生长速率和尖端半径的影响特点.同时利用该模型模拟了NH₄Cl-H₂O溶液定向凝固过程中自然对流对柱状晶生长的影响,并采用相应的实验进行验证.模拟结果与实验结果符合良好,从而证明该模型是可靠的,可推广到实际合金系中. 关键词： 元胞自动机 对流 4Cl-H₂O溶液')" href="#">NH₄Cl-H₂O溶液 定向凝固     

CA-LBM模型模拟自然对流作用下Al-4.7%Cu合金的枝晶生长

建立耦合温度场、流场、溶质场的CA-LBM(元胞自动机格子玻尔兹曼方法)数值模型模拟了Al-4.7%Cu固溶体合金的凝固过程。模拟结果再现了自然对流条件下单个枝晶、多个枝晶的生长以及柱状晶向等轴晶转变过程。研究结果表明,自然对流对单个枝晶形貌有明显的影响,使枝晶生长非对称化,即迎流方向的枝晶生长得到促进,顺流方向的枝晶生长受到抑制。对铸锭CET过程的计算表明,自然对流促进温度均匀化,在凝固过程中等温线弯曲程度先增大后减小。另外,自然对流加速了凝固进程,并有细化晶粒的作用。CA-LBM模型再现了自然对流条件下柱状晶的竞争生长、柱状晶向等轴晶的转变以及溶质的晶界偏析。     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明：在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向生长速度快.随着对流速度的增大,上游尖端过冷度也增大,枝晶生长也越快.这是由于流体速度越大,对上游枝晶冲刷越强,上游枝晶尖端实际过冷度越大,枝晶生长越迅速. 关键词： 相场法 对流速度 上游枝晶     

二元合金等温凝固过程的相场模型

基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 枝晶生长 溶质场 Ivantsov理论     

偏晶合金液-液相分离的格子玻尔兹曼方法模拟

本文建立了一个模拟在弥散相液滴的扩散长大、碰撞凝并和Ostwald熟化等因素的作用下偏晶合金液-液相分离过程的二维格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 模型.该模型结合了Shan-Chen的两相流模型和Qin的介观粒子相互作用势模型的优点,并在LB演化方程中引入了反映相变的源项.应用该模型模拟研究了偏晶合金液-液相分离过程中单液滴的生长、两液滴的合并和多液滴的生长规律.结果表明在两液相区中第二相单个液滴的生长是一个通过扩散从非平衡态到平衡态过渡的过程.两液滴合并 关键词： 偏晶合金 液-液相分离 格子玻尔兹曼方法     

一维空间Riesz分数阶对流扩散方程的格子Boltzmann方法

建立格子Boltzmann方法（LBM）的D1Q3演化模型,研究一类Riesz空间分数阶对流扩散方程的数值求解问题。对分数阶微积分算子中的积分项离散化处理,得到逼近的标准对流扩散方程。结合Taylor展式和Chapman-Enskog多尺度展开技术得到模型的各个方向上的平衡态分布函数,通过D1Q3演化模型正确恢复所要求解的宏观方程。数值算例验证该方法的有效性。     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型，发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法，以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 结果表明，这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长，能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程.     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型,发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法,以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长,能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程. 关键词： 相场法 多晶粒 等温凝固 二元合金     

三维溶质枝晶生长数值模拟

建立了在低Péclet数条件下三维溶质枝晶生长的数值模拟模型.该模型采用Zhu和Stefanescu 提出的溶质平衡方法,即根据固/液界面的平衡浓度和实际浓度之差计算固/液界面演化的驱动力.界面的平衡浓度由界面温度和曲率所确定,实际浓度通过采用有限差分法对溶质扩散控制方程进行数值求解而获得.该方法能够合理定量地描述枝晶从初始的非稳态到稳态的生长过程,并且具有较高的计算效率.为了描述具有不同晶体学取向的三维枝晶生长,提出了一种权值平均曲率算法用于计算固/液界面的曲率,在权值平均曲率的算法中耦合了界面能各向异性的因素.该算法简单易实现,并易于从二维推广到三维系统.为了对模型进行验证,将模拟的枝晶尖端稳态生长数据和理论模型的预测结果进行了比较.结果表明,模拟的Al-2wt%Cu合金枝晶尖端稳态生长速率和半径随过冷度的变化接近于Lipton-Glicksman-Kurz解析模型的预测结果.模拟分析了稳态枝晶尖端的形貌,发现三维枝晶尖端是非轴对称的,以四次对称的方式偏离旋转抛物面.最后,应用所建立的模型模拟出具有发达分枝和不同晶体学取向的三维等轴多枝晶生长形貌. 关键词： 微观组织模拟 溶质枝晶生长 权值平均曲率 三维     

Velocity and shape selection of dendritic crystals in a forced flow

The phase-field method is used to simulate the two-dimensional growth of a dendritic crystal in a forced flow. The selection of the velocity and shape of the dendrite tip is investigated as a function of flow rate, growth direction relative to the flow, as well as anisotropy strength, and the results for the upstream growing tips are compared to existing theoretical predictions.     

液相对流对定向凝固胞/枝晶间距的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.8 wt%丙酮(SCN-1.8 wt%Ace)合金, 研究了平行于生长界面前沿的液相对流对定向凝固胞/枝晶生长行为及胞/枝晶间距的影响. 对于胞晶生长, 在液相对流作用下, 其尖端将会出现分岔, 使得胞晶间距减小, 并且液相对流流速越大, 胞晶尖端分岔越明显, 胞晶组织越细小, 胞晶间距越小. 至于枝晶生长, 其生长行为与胞晶不同. 当抽拉速度较小时, 液相对流作用下枝晶两侧三次臂的生长速度将会超过枝晶尖端生长速度, 形成新的枝晶列, 使得枝晶一次间距减小, 并且液相对流流速越大枝晶一次间距越小; 当抽拉速度较大时, 液相对流作用下迎流侧二次臂生长发达,且会抑制上游枝晶生长, 使得枝晶一次间距增大, 并且液相对流越强枝晶一次间距越大. 关键词： 定向凝固 胞晶间距 枝晶间距 液相对流     

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     

定向倾斜枝晶生长规律及竞争行为的相场法研究

采用多相场模型对定向凝固过程中倾斜枝晶生长进行了研究, 模拟了单一取向枝晶列的演化规律及不同取向枝晶列汇聚生长竞争淘汰行为. 结果表明, 枝晶尖端过冷度随倾斜角度的增大而增大, 即相同条件下倾斜枝晶尖端位置总是低于非倾斜枝晶; 汇聚生长时择优取向枝晶总是阻挡非择优取向枝晶, 但在抽拉速度较低时, 由于溶质扩散场的相互重叠, 晶界处择优取向枝晶的生长受到相邻非择优枝晶的影响而延缓, 这可能导致非择优取向枝晶淘汰择优取向枝晶.     

Numerical simulation on dendritic growth of Al-Cu alloy under convection based on the cellular automaton lattice Boltzmann method

A numerical model is developed by coupling the cellular automaton (CA) method and the lattice Boltzmann method (LBM) to simulate the dendritic growth of Al-Cu alloy in both two and three dimensions. An improved decentered square algorithm is proposed to overcome the artificial anisotropy induced by the CA cells and to realize simulation of dendritic growth with arbitrary orientations. Based on the established CA-LBM model, effects of forced convection and gravity-driven natural convection on dendritic growth are studied. The simulation results show that the blocking effect of dendrites on melt flow is advanced with a larger number of seeds. The competitive growth of the converging columnar dendrites is determined by the interaction between heat flow and forced convection. Gravity-driven natural convection leads to highly asymmetric growth of equiaxed dendrites. With sinking downwards of the heavy solute, chimney-like or mushroom-like solute plumes are formed in the melt in front of the columnar dendrites when they grow along the gravitational direction. More details on dendritic growth of Al-Cu alloy under convection are revealed by 3D simulations.     

Effect of gravity convection on interface morphology during solidification

An experimental apparatus consisting of a crystal growth room and a crystal growth observation system was developed for the study of the effect of the gravity convection perpendicular to the growth direction on the growth process by use of model alloy succinonitrile (SCN)-5wt%ethanol. It was found that the convection improves the stability of the interface and causes the downstream alternation of the cell growth direction because of the dual effect of the Stokes force and the gravity. The second dendrite arm facing the flow comes into being earlier than that at another side when the interface transforms cell to dendrite. Then the dendrite at the side facing the flow comes into being earlier. The second dendrite arm facing the flow grows faster and is more developed than that at another side. In addition, the primary dendrite arm spacing increases and the dendrite tip radius decreases under the gravity convection. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50331040 and 60171043)