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.     

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     

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     

相场方法模拟铝合金三维枝晶生长

以相场模型为基础，采用宏微观耦合方法和界面捕获液态方法对铝合金枝晶生长进行模拟计算.为解决试样全场微观计算的困难，采取宏微观耦合的计算方法，试样整体计算温度场，而微观组织计算只在一个确定的宏观单元内进行，宏观微观计算交替耦合进行.在不改变相场模型的条件下，提出界面捕获液态计算方法.赋值计算单元界面标志，只对界面处的单元求解相场变量，当枝晶生长时，捕获液态单元为界面从而推进界面，并对捕获到的单元校正相场变量.通过界面捕获液态方法加速相场模型的计算，实现了铝合金试件局部三维单晶粒和多晶粒的模拟.对模拟结果与实 关键词： 相场方法 液态捕获 微观组织 枝晶     

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     

稳恒磁场下金属电沉积枝晶生长的模拟

采用Monte-Carlo模拟方法,给出用于描述稳恒磁场作用下电沉积枝晶生长的模型.该模型综合考虑了外加磁场B,电解溶液浓度和离子在阴极发生还原反应的几率P_s等因素对电沉积过程的影响,模拟得到与实验结果一致的枝晶生长图形.模拟结果表明:团簇的形状和它们的分形维数都与外加磁场B的强弱,即体现在模型中离子的旋转角速度ω的大小有关;随着磁场强度的增加,沉积团簇会从分形向非分形转变;在相对强的外加磁场作用下,较高离子浓度时的沉积物是非分形的;离子在阴极的反应概率P_s越小,随着磁场强度的增加枝晶生长越易趋向非分形.     

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     

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     

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.     

格子Boltzmann方法模拟自然对流作用下融化传热过程

建立自然对流作用下融化的格子Boltzmann双分布函数模型,根据非线性对流扩散方程的格子Boltzmann模型理论提出一个新的表征融化温度场的分布函数演化方程,并通过变松弛时间方法处理固液两相变热物性传热问题.应用模型对热传导融化及自然对流融化特别固液变热物的融化过程进行模拟.模拟结果与分析解、经典的关联式结果吻合较好,模型的正确性得到了验证.模拟结果表明,自然对流对融化传热过程有着重要的影响,此外固相热传导也对融化传热、融化速率及固液两相温度分布都有一定影响.     

受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究

基于耦合流场和热噪声的相场模型及合理高效的三维动态求解域加速算法,定量模拟了在受迫流动下枝晶的非对称生长及流速对迎流、背流两侧的温度分布和层流层分布的影响.计算结果表明,受迫流动使迎流、背流两侧温度的分布与层流层分布呈现不对称状态,导致迎流侧与背流侧的过冷度不同,而熔体施加于枝晶界面前沿迎流侧的力还不足以抑制过冷度的作用,结果造成枝晶迎流方向优先生长,从而产生倾向于散热方向的倾斜,同时,由于迎流侧的实际过冷度大于背流侧,有利于促进迎流一侧枝晶生长速度以及稳定侧向分枝生长,从而导致了侧向分枝的非对称生长.随     

Simulation of natural convection under high magnetic field by means of the thermal lattice Boltzmann method

The thermal lattice Boltzmann method (TLBM), which was proposed by J. G. M. Eggels and J. A. Somers previously, has been improved in this paper. The improved method has introduced a new equilibrium solution for the temperature distribution function on the assumption that flow is incompressible, and it can correct the effect of compressibility on the macroscopic temperature computed. Compared to the previous method, where the half-way bounce back boundary condition was used for non-slip velocity and temperature, a non-equilibrium extrapolation scheme has been adopted for both velocity and temperature boundary conditions in this paper. Its second-order accuracy coincides with the ensemble accuracy of lattice Boltzmann method. In order to validate the improved thermal scheme, the natural convection of air in a square cavity is simulated by using this method. The results obtained in the simulation agree very well with the data of other numerical methods and benchmark data. It is indicated that the improved TLBM is also successful for the simulations of non-isothermal flows. Moreover, this thermal scheme can be applied to simulate the natural convection in a non-uniform high magnetic field. The simulation has been completed in a square cavity filled with the aqueous solutions of KCl (11wt%), which is considered as a diamagnetic fluid with electrically low-conducting, with Grashof number Gr=4.64× 10^4 and Prandtl number Pr=7.0. And three cases, with different cavity locations in the magnetic field, have been studied. In the presence of a high magnetic field, the natural convection is quenched by the body forces exerted on the electrically low-conducting fluids, such as the magnetization force and the Lorentz force. From the results obtained, it can be seen that the quenching efficiencies decrease with the variation of location from left, symmetrical line, to the right. These phenomena originate from the different distributions of the magnetic field strengths in the zones of the symmetrical central line of the magnetic fields. The results are also compared with those without a magnetic field. Finally, we can conclude that the improved TLBM will enable effective simulation of the natural convection under a high magnetic field.     

格子Boltzmann方法对Rayleigh-Benard流的模拟与非线性分析

本文利用格子Boltzmann方法对不同Ra下的Rayleigh-Benard自然对流进行了数值模拟,得到的Nu与前人的结果一致。数值结果表明,Ra=2000时,格子Boltzmann方法得到了三个静态分岔解,其中一个为非稳定解;在Ra=5×10~5时格子Boltzmann方法得到了类似于周期的振荡解。本文采用插值格子Boltzmann方法,在Ra=2000,取不同插值节点进行计算时,得到了一种非稳态解。     

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.     

Lattice Boltzmann Study of Mixed Convection in aCubic Cavity

The problem of the mixed convection in a cubic cavity is studied with lattice Boltzmann method. A multiple-relaxation-time lattice Boltzmann model for incompressible flow in the cubic cavity and another thermal lattice Boltzmann model for solving energy/temperature equation are proposed. The present models are first validated through a comparison with some available results, and then, we present a detailed parameter study on the mixed
convection in the cubic cavity. The numerical results show that the flow and temperature patterns change greatly with variations of the Reynolds and Richardson numbers.     

相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长

在二元合金相场模型研究的基础上，进行扩展获得了多元合金相场模型.以Al-Si-Mg三元合金为例，采用该相场模型实现了逼真地模拟多元合金凝固过程的等轴枝晶生长，得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.随着第三组元Mg含量的减少，枝晶的二次枝晶越发达，枝晶中溶质的偏析越严重，枝晶尖端的生长速率和半径越大，与丁二腈-丙酮体系中枝晶尖端生长速率、半径随溶质浓度变化关系的理论计算和实验结果相符合.另外，枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低，在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高；固液界面区域具有较大的浓度梯度，其中枝晶尖端前沿的梯度最大. 关键词： 相场法 多元合金 凝固过程 枝晶生长