对流对枝晶生长影响的数值模拟研究进展

介绍了对流影响枝晶生长的主要数值模拟方法,评述了对流对枝晶生长影响的数值在模拟国内外的研究现状,指出了该领域目前面临的问题和未来的发展趋势.     

用相场方法模拟镍的枝晶生长

采用相场模型,计算了纯镍的过冷溶液在凝固过程中的枝晶生长。在相场方程中,采用均匀网格的一般显示有限差分方法求解,通过数值模拟显示了枝晶的形貌,包括一次臂、二次臂,以及在枝晶生长过程中出现的“缩颈”现象。     

强制对流作用下多枝晶生长的相场法研究

采用耦合溶质场、温度场和流场的相场模型,对Ni-Cu合金凝固过程中多枝晶生长进行模拟,研究了多枝晶生长形貌及温度场和溶质场分布.结果表明:熔体流动显著改变凝固前沿的传热和传质,从而影响枝晶生长.受过冷熔体冲刷,枝晶逆流侧前沿溶质浓度和温度低,枝晶臂尖端生长迅速;枝晶顺流侧前沿溶质浓度和温度高,枝晶臂尖端生长缓慢.在熔体...     

定向凝固微观组织相场法模拟的研究进展

定向凝固过程中的界面形态对凝固组织有着决定性作用,相场法可以很好地展示凝固过程固液界面形态的演变。阐述了定向凝固相场方法数值模拟的基本原理及国内外研究现状,并指出了该领域目前面临的问题及未来发展趋势。     

Si-Ni合金中小晶面枝晶生长的相场法模拟

相场法作为一种有效预测过冷熔体凝固过程的数值模拟计算方法,在模拟枝晶生长方面得到了广泛应用。应用界面能的校正形式,建立二元合金小晶面枝晶生长的相场模型,对Si-Ni二元合金小晶面枝晶生长进行了模拟。结果表明,当各向异性强度系数超过临界值υ=1/15时,枝晶生长表现出小晶面生长形态,尖端曲率效应消失,呈现出棱角状的不连续结构;同时在枝晶主支上产生大量侧向分支。实验观察验证了小晶面枝晶生长相场模型的有效性。     

凝固过程中对流效应的相场模拟研究进展

阐述了相场方法是凝固过程中对流效应数值模拟的有效方法,分别介绍了考虑强迫对流、剪流、自然对流的相场模型,综述了相场方法在对流领域研究中的应用情况,指出了该研究领域目前存在的问题及今后的发展方向.     

相场法模拟Zn-Al二元合金凝固过程中的枝晶生长

建立了与温度场和溶质场相耦合的 Zn-Al 二元合金枝晶生长的相场模型,用相场法模拟了枝晶形貌及生长过程。通过分析得到的图像,研究了各向异性强度系数、界面动力学系数以及界面能对枝晶生长形貌和枝晶尖端生长速度的影响。结果表明：随着各向异性强度系数的增大,枝晶生长速率增加,且容易出现二次支臂。此外,界面动力学系数和界面能的增大也会不同程度地加速枝晶生长速率并对二次支臂的产生有着较为明显的促进作用。     

相场方法模拟氙枝晶生长研究

基于相场方法对纯物质的凝固过程进行了二维数值模拟.以氙为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明,随着过冷度值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,相应的枝晶稳态尖端速度明显加快;随着耦合系数的增大,晶核由一圆核发展为细长的枝晶,枝晶的稳态尖端速度呈单调递增趋势,界面的稳定性逐渐变差.     

晶粒生长过程的相场模型研究进展

材料微观组织很大程度上决定了其宏观物理力学性能,采用相场模型来模拟多晶材料体系的晶粒生长已成为国内外研究微观组织的热点之一.相场模型的核心在于引入一系列保守场和非保守场变量来表述微观组织的空间分布.详细介绍了场变量模型的基本原理和数值计算方法,综述了相场模型在晶粒长大模拟中的最新进展,提出了相场法在微观组织模拟中存在的问题及今后研究的方向.     

金属凝固过程枝晶生长相场法模拟研究进展

近年来,相场法发展迅速,在许多方面得到了应用。本文主要介绍了相场法的发展进程,并对比分析了凝固相场中三种典型的相场模型(WBM模型、Karma模型和KKS模型)。在此基础上,简要概括了凝固相场方法的国内外研究现状,并对相场法今后的发展趋势进行了展望。     

高温合金定向凝固过程中枝晶生长与溶质对流数值模拟

目的 针对高温合金叶片在定向凝固过程中容易出现雀斑缺陷,从而导致叶片报废的问题,对定向凝固枝晶生长与溶质对流进行模拟研究,以揭示雀斑缺陷的形成规律。方法 针对CM247LC合金定向凝固过程,采用相场模型模拟凝固过程枝晶生长,采用格子Boltzmann模型模拟溶质浓度差引起的自然对流。采用基于双重网格的GPU并行算法对相场-格子Boltzmann模型进行数值求解。研究在不同晶体取向角度与取向差条件下的枝晶形貌、对流速度及溶质羽流的演变规律。结果 当晶体取向角度不同时,在枝晶生长过程中,液相区域的平均对流速度均表现为周期性变化。当晶体取向角度较大时,随着晶体取向角度的变大,一次枝晶臂间距变大。当枝晶间存在晶体取向差时,溶质羽流倾向于在发散型晶界附近发起;随着晶体取向差的增大,溶质羽流发起时间提前。溶质羽流的形成阻碍了枝晶尖端及附近枝晶侧臂的生长。结论 晶体取向角度对溶质羽流形成的影响较小,较大的晶体取向差对溶质羽流的形成有促进作用。     

基于CAFE法模拟自然对流对微观组织的影响

在分析元胞自动机-有限元(CAFE)法模拟凝固过程微观组织物理本质和数值计算方法的基础上,运用该法模拟了对流对凝固过程中的温度场、缩孔和疏松及微观组织的影响。模拟结果表明:该法可以实现铸件三维微观组织的模拟,模拟结果与实验吻合较好。对流可以起到均匀温度场的作用;对流对凝固过程中的补缩有一定的影响,使缩孔、疏松形貌不规则;对流可以细化铸件的微观组织。     

倾斜角度对封闭方腔内液体自然对流的影响

在多种倾斜角度下,对封闭腔内液体进行了数值模拟。重点分析了Ra数变化和倾斜角度对对流传热的影响。研究表明：随着Ra数的增大,换热由热传导为主转化为对流换热为主;倾斜角度对Nu数的变化影响很大,并且当倾斜角度处于90o～135o时,Nu数可以达到最大值。     

Simulation of Dendritic Growth with Different Orientation by Using the Point Automata Method

The aim of this paper is simulation of thermally induced liquid-solid dendritic growth in two dimensions by a coupled deterministic continuum mechanics heat transfer model and a stochastic localized phase change kinetics model that takes into account the undercooling, curvature, kinetic and thermodynamic anisotropy. The stochastic model receives temperature information from the deterministic model and the deterministic model receives the solid fraction information from the stochastic model. The heat transfer model is solved on a regular grid by the standard explicit Finite Difference Method (FDM). The phase-change kinetics model is solved by the classical Cellular Automata (CA) approach and a novel Point Automata (PA) approach. The PA method was developed and introduced in this paper to circumvent the mesh anisotropy problem, associated with the classical CA method. Dendritic structures are in the CA approach sensitive on the relative angle between the cell structure and the preferential crystal growth direction which is not physical. The CA approach is established on quadratic cells and Neumann neighborhood. The PA approach is established on randomly distributed points and neighbourhood configuration, similar as appears in meshless methods. Both methods provide same results in case of regular PA node arrangements and neighborhood configuration with five points. A comprehensive comparison between both stochastic approaches has been made with respect to curvature calculations, dendrites with different orientations of crystallographic angles and types of the node arrangements randomness. It has been shown that the new method can be used for calculation of the dendrites in any direction.