细胞尺度冰晶生长行为的相场数值模拟

细胞尺度的冻结损伤机制是实施低温手术及生物材料低温保存的关键,本文围绕低温条件下的微尺度冻结问题,应用相场模型对冰晶的形成过程进行了数值模拟,明确了相场模型相关重要参数的确定方法,并最终得到各向同性条件下,二维平面内冰晶的生长过程及其生长特点.     

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。     

各向异性系数对等温结晶冰晶生长相场法模拟的影响

采用国内外描述相变微观结构的相场模型,将果汁体系视为水和溶质组成的二元系统,探究各向异性系数取值对冰晶相貌及溶质分布模拟的的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,冰晶的二次分枝越来越发达,其尖端生长速度变快,且尖端速度波动的幅值增大;冰晶生长速度越快,则凝固时间越短,溶质扩散层越薄.各向异性系数在0.025左右取值,较能反映冰晶实际生长形貌.     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.     

晶体相场方法模拟纳米晶生长过程

双模的PFC模型能够很好地模拟纳米晶的晶粒长大,可以在二维平面显示出不同晶面类型的晶粒长大过程、不同错配度和晶粒取向的晶界结构,还可以模拟出准共格晶界,观察到晶界处由于错配度不同引起的位错结构。这些模拟得到的结果,对实现人工控制纳米晶晶界结构,指导实验设计具有新型纳米晶界的结构材料具有重要意义。     

微通道内流动沸腾气泡生长特性数值研究

利用FLUENT软件,采用VOF多相流模型对水在矩形微通道内流动沸腾过程中气泡的生长进行了数值模拟,分析了壁面热流密度、入口质量通量和接触角对气泡生长速率的影响,并得到了气泡周围的温度和压力分布。结果表明,壁面热流密度和质量通量的增大导致气泡生长速度的增加,而最小的接触角有最大的气泡生长速度,气泡边界上的温度梯度和压力梯度都较大。     

对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

采用VOF方法,对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究,详细分析了气泡形成过程,以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响,拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明:气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大;表面张力对气泡尺寸的影响较小,当液体粘度增加为水粘度的10倍时,形成的气泡形状不规则。增大表面张力,形成气泡的时间增加;增大粘度,形成气泡的时间减小。     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

基于薄界面限制、耦合界面能各向异性的相场模型,采用动态计算区域的加速算法,对纯物质的三维枝晶生长进行了定量模拟,真实再现了枝晶的生长过程.对枝晶尖端进行了剖切分析,表明主枝截面上各向异性没有主枝方向各向异性明显;对枝晶尖端生长速度、尖端半径、Peclet数及临界稳定性参数σ^*进行模拟计算,并与同条件下报道值进行了对比分析,两者符合良好,并得到了与结晶理论相一致的枝晶生长规律,证实了相场方法模拟三维空间枝晶生长可行有效. 关键词： 相场方法 枝晶生长 微观组织 三维数值模拟     

过冷熔体中枝晶生长的相场模拟

本文利用相场方法对过冷镍熔体中枝晶生长过程进行了模拟,发现在过冷度低于 200 K时,生长速度与过冷度之间近似呈幂函数关系,当过冷度高于 200 K时,生长速度与过冷度之间基本呈线性关系。伴随着速度/过冷度之间关系的变化,枝晶尖端半径/过冷度的关系则呈现先减小后增加的趋势,并在 200 K时达到最小。本文还将模拟结果与实验值和经典LKT理论进行了比较,对上述关系转变的物理机制进行了分析。     

T型正弦微通道内气液两相流动的数值研究

在T型微通道的基础上,对其结构进行改造,提出了一种T型正弦波节微通道,并构建了微型气液反应装置。运用CFD方法,数值研究了微通道内的气泡形成过程及气液分布情况,拟合出了计算T型微通道内气泡液柱尺寸的关联式。结果表明:T型正弦波节微通道内的气泡形成机制与常规T型微通道相同,为挤压机制,颈部断裂过程经历的时间较常规T型微通道稍长。该结构类型的正弦波节微通道与常规平直圆管相比,当量直径增大了50%,气液接触面积相应增大了25%,有效地提高了传质效率。     

双电层交叠时微通道内流动的数值模拟

本文采用有限容积法数值模拟了在电动效应作用下微通道内流体的流动特性。分别采用Poisson方程和Nernst- Planck方程计算电动势和离子浓度分布。结果表明在双电层相互交叠的情况下,微通道内轴向的流动电势先减小后增大,并逐渐趋于定值,从而导致了轴向电动效应不断增强。     

温度梯度对晶粒生长行为影响的相场模拟

利用相场法建立了一个可应用于研究温度梯度影响下的晶粒生长行为的二维模型,模拟了多晶材料退火过程中由温度梯度引起的非均匀晶粒生长和定向晶粒生长行为.结果表明:退火过程中,在静态温度梯度的影响下,体系的晶粒呈现不均匀生长,且从晶粒生长指数来看,不同程度地偏离了正常晶粒生长;在动态温度梯度的影响下,体系内部常出现柱状晶粒生长,柱状晶粒前端持续生长至温度最高位置;柱状晶粒生长与动态热源的移动速率密切相关,只有当动态热源的移动速率处于最小和最大晶粒生长速率之间时,柱状晶粒才会出现. 关键词： 晶粒生长 相场法 晶界迁移率 局部退火     

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．     

矩形微通道中环状冷凝的数值模拟

建立了一套恒热流边界条件下矩形微通道内环状冷凝过程的一维稳态模型,进行了数值计算,并将数值模拟结果与正三角形中的冷凝过程进行了比较.研究显示,在不同截面的微通道中,液相毛细半径和流速的沿程变化趋势都是相似的.同条件下,矩形通道的冷凝段长度大于正三角形通道.在矩形微通道中,通道入口蒸气压力和水力直径越大或者接触角越小,则冷凝段长度越长.     

多晶材料晶粒生长粗化过程的相场方法模拟

基于采用晶体有序化程度参量ψ和晶体学取向θ来表示多晶粒结构的相场模型,利用自适应有限元方法模拟了多晶材料等温过程中的晶粒粗化现象.模拟结果显示,在曲率作用下,通过晶界迁移弯曲晶界逐渐平直化,小晶粒逐渐被大晶粒吞并,当晶界之间的取向差较小时,满足一定能量和几何条件的两晶粒在界面能作用下会发生转动,合并为单个晶粒.模拟结果与实验结果符合较好.因此,该相场模型可以很好地用来模拟固态相变中多晶材料的生长粗化等现象. 关键词： 相场 晶界迁移 晶粒转动 粗化     

矩形微通道内两相流流阻压降特性的可视化研究

以去离子水和质量分数为0.3%的水基纳米流体为工质,在当量直径为1.241mm的矩形微通道内进行了两相流流动沸腾的实验研究,并借助高速摄像仪对矩形微通道内流型随着质量流量及热流密度的变化进行了观察分析。实验结果表明:单位长度上的两相摩擦压降会随着质量流速的提升而提高;单位长度上的两相摩擦压降会随着热流密度的增大而升高;减小质量流速和提高其热流密度均会加快气泡的产生并提高气泡的脱离直径,当热流密度增大到一定程度时,通道内几乎为环状流与液态单相流交替出现,且环状流占周期中的较长时间。     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明:对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

微通道冷却器内流动和传热特性的数值模拟

为满足固体激光器用微通道冷却器的换热要求, 根据冷却器结构分别建立了二维和三维物理模型, 利用计算流体力学方法首先对比研究两者的流动特性, 然后考察雷诺数和玻片生热量对微通道流动和传热特性的影响。结果表明：对于类似大平板间的矩形微通道层流流动区域, 其流动及传热特性可直接采用二维简化模型进行模拟分析;对于重点关注的转捩区, 采用三维模型模拟分析更好;当雷诺数增大到转捩点, 流体的传热效果得到明显增强;随着雷诺数的增大, 玻片生热量对通道内最低压力需求的影响逐渐减小;不同玻片生热量对微通道流动影响不可忽略, 对努赛尔数和通道总压降基本无影响。     

微通道内氢气和氧气混合的DSMC模拟

气体混合是微流动系统的重要应用之一.本文使用DSMC方法,数值模拟了不同进出口压力下简单和复杂微通道内H2和O2的混合过程,并从满足完全燃烧的氢氧摩尔流量比的角度,讨论了进出口压力以及两种气体入口压力比和宽度比(截面面积比)对摩尔流量比的影响.