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.     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

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     

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     

Numerical modeling of condensate droplet on superhydrophobic nanoarrays using the lattice Boltzmann method

In the present study,the process of droplet condensation on superhydrophobic nanoarrays is simulated using a multicomponent multi-phase lattice Boltzmann model.The results indicate that three typical nucleation modes of condensate droplets are produced by changing the geometrical parameters of nanoarrays.Droplets nucleated at the top(top-nucleation mode),or in the upside interpillar space of nanoarrays(side-nucleation mode),generate the non-wetting Cassie state,whereas the ones nucleated at the bottom corners between the nanoarrays(bottom-nucleation mode) present the wetting Wenzel state.Time evolutions of droplet pressures at the upside and downside of the liquid phase are analyzed to understand the wetting behaviors of the droplets condensed from different nucleation modes.The phenomena of droplet condensation on nanoarrays patterned with different hydrophilic and hydrophobic regions are simulated,indicating that the nucleation mode of condensate droplets can also be manipulated by modifying the local intrinsic wettability of nanoarray surface.The simulation results are compared well with the experimental observations reported in the literature.     

A multicomponent multiphase lattice Boltzmann model with large liquid–gas density ratios for simulations of wetting phenomena

A multicomponent multiphase(MCMP) pseudopotential lattice Boltzmann(LB) model with large liquid–gas density ratios is proposed for simulating the wetting phenomena. In the proposed model, two layers of neighboring nodes are adopted to calculate the fluid–fluid cohesion force with higher isotropy order. In addition, the different-time-step method is employed to calculate the processes of particle propagation and collision for the two fluid components with a large pseudoparticle mass contrast. It is found that the spurious current is remarkably reduced by employing the higher isotropy order calculation of the fluid–fluid cohesion force. The maximum spurious current appearing at the phase interfaces is evidently influenced by the magnitudes of fluid–fluid and fluid–solid interaction strengths, but weakly affected by the time step ratio.The density ratio analyses show that the liquid–gas density ratio is dependent on both the fluid–fluid interaction strength and the time step ratio. For the liquid–gas flow simulations without solid phase, the maximum liquid–gas density ratio achieved by the present model is higher than 1000:1. However, the obtainable maximum liquid–gas density ratio in the solid–liquid–gas system is lower. Wetting phenomena of droplets contacting smooth/rough solid surfaces and the dynamic process of liquid movement in a capillary tube are simulated to validate the proposed model in different solid–liquid–gas coexisting systems. It is shown that the simulated intrinsic contact angles of droplets on smooth surfaces are in good agreement with those predicted by the constructed LB formula that is related to Young's equation. The apparent contact angles of droplets on rough surfaces compare reasonably well with the predictions of Cassie's law. For the simulation of liquid movement in a capillary tube, the linear relation between the liquid–gas interface position and simulation time is observed, which is identical to the analytical prediction. The simulation results regarding the wetting phenomena of droplets on smooth/rough surfaces and the dynamic process of liquid movement in the capillary tube demonstrate the quantitative capability of the proposed model.     

双边扩散枝晶生长的定量相场模型

本文针对非对称双边扩散条件下的二元合金枝晶生长,建立了一个包含溶质截流项的定量相场模型．本模型耦合了非线性热力学函数并采用化学势相等的界面条件．通过对相场方程进行二阶的薄界面渐进分析,并结合溶质拖拽模型,推导出相场迁移率和溶质截流项．随后将模型简化为二元稀溶液合金等温枝晶生长的相场模型以对其进行理论验证．通过在各种相场界面厚度条件下进行数值模拟,测试了本模型的数值收敛性．用所建立的模型模拟了Fe-0．15m01％C合金的等温枝晶生长,将相场模拟结果和经典Gibbs—Thomson关系,线性可解性理论以及改进的Lipton—Glicksman—Kurz（LGK）解析模型进行比较,取得了良好的符合．模拟结果表明本模型能有效地消除延拓的界面厚度所导致的界面异常效应,具有良好的定量模拟能力．而且,本模型能够定量地描述从单边扩散到对称扩散的各种固相扩散迁移率条件下的枝晶生长．     

温度梯度区域熔化作用下熔池迁移的元胞自动机模拟

本文采用耦合凝固和熔化效应的二维元胞自动机(cellular automaton, CA)模型,对温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting, TGZM)效应引起的熔池在固液两相区中的迁移现象进行模拟研究.模拟分析了抽拉速度、熔池初始位置、温度梯度和合金成分等因素对TGZM动力学的影响,并将模拟结果与解析模型的预测结果进行比较验证.通过模拟发现,在温度梯度作用下,熔池总是向着高温方向迁移;当抽拉速度低于或高于临界抽拉速度时,熔池朝向移动的液相线或固相线迁移;对于给定的抽拉速度,位于糊状区内临界位置以上的熔池会迁移进入液相,而位于临界位置以下的熔池会逐步靠近固相线.此外,温度梯度越高,合金成分越低,熔池的迁移速度越快.