元胞自动机方法在枝晶生长模拟中的应用

尽管大量关于枝晶生长模拟的研究都使用了相场方法,但近年来元胞自动机(CA)方法在枝晶生长模拟方面也取得了很大进展.介绍了CA方法模拟枝晶生长的原理和模型,评述了CA方法在枝晶模拟方面的发展历程,指出了存在的问题的和进一步研究的方向.     

枝晶生长的三维元胞自动机模拟

通过将元胞自动机和有限差分方法相耦合,建立了立方体系金属和合金枝晶生长的三维模型.应用该模型,模拟了Al-Cu合金过冷熔体中自由枝晶的生长和定向凝固条件下Al-Cu合金凝固组织演变过程.模拟结果清楚展现了过冷熔体中自由枝晶的生长过程和定向凝固过程中枝晶的形成与淹没,与理论预测和实验结果相吻合,表明所发展的模型能够较准确...     

元胞自动机方法模拟枝晶演变过程的分析与研究

利用传统的元胞自动机方法摸拟了基于溶质扩散控制界面生长机制的枝晶演变和显微偏析。模拟结果显示这种方法可以显示出枝晶形貌和显微偏析，同时可以再现凝固过程中的再辉现象。在模拟的过程中发现模拟的枝晶尖端半径与理论计算的枝晶尖端半径符合较好，但模拟结果也显示出一些波动，通过分析发现导致波动的原因是元胞自动机方法的规则将连续的枝晶生长模型割裂成离散跳跃的生长方式，因此不可避免地产生模拟结果波动。     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.     

基于改进元胞自动机方法的强制对流作用下三维枝晶生长的数值模拟

建立了一种改进的元胞自动机模型来模拟熔体对流条件下的二元合金三维枝晶的生长。模型中考虑了界面能各向异性和溶质扩散对固/液界面推移的影响,在同一套网格中耦合求解质量传输和液相流动方程,从而可以模拟溶质扩散和熔体对流之间的相互作用。使用该模型模拟了一定过冷度条件下,强制对流对Al-7%Si(质量分数,下同)合金三维枝晶生长形貌的影响。模拟结果表明,熔体强制对流导致迎流侧尖端溶质富集层减薄,枝晶生长出现了迎流生长现象。将模拟得到的溶质过饱和度与Oseen-Ivantsov解析解进行对比,当流速较大时两者吻合较好。同时模拟了三维和二维强制对流作用下枝晶生长形貌的演化,由于三维条件下对流使得熔体能够绕过垂直于对流方向的一次枝晶臂主干将溶质带到背流侧,而二维条件下只能绕过垂直方向一次臂的尖端,因此三维MCA模型能更准确地反映强制对流对枝晶生长的影响。     

不同择优生长取向角枝晶生长的数值模拟

通过耦合溶质扩散方程,并考虑成分过冷和曲率过冷对界面平衡溶质成分的影响,建立改进的元胞自动机模型来模拟溶质扩散控制的立方晶系合金的枝晶生长过程。模型在计算固液界面生长速率时考虑立方晶系枝晶择优生长取向100的影响,同时采用斜中心差分格式对界面生长速率方程进行离散,从而能够模拟择优生长取向与坐标轴成不同夹角的枝晶生长形貌演变。为验证模型的可靠性,模拟NH4Cl-H2O系透明合金单个等轴枝晶以及不同择优生长取向角的多个等轴枝晶和柱状枝晶的形貌演化,模拟结果与实验结果吻合较好。     

基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机（Cellular Automaton,简称CA）模型基本原理,建立符合镁合金密排六方结构特点的凝固过程形核、晶体生长的数学模型。模型耦合宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义界面单元捕获规则,能够模拟枝晶生长的形态。应用本模型对单个等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及定向凝固中的柱状晶生长进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。     

合金凝固过程元胞自动机模型及模拟方法的发展

元胞自动机(CA)是一种高效且物理意义明确的模拟方法,能够较准确地模拟合金的凝固组织演变过程.本文简述了合金凝固过程CA模拟方法的基本原理,综述了合金凝固组织演变CA模型的发展历程,分析了现存的CA模型的特点,展望了合金凝固CA模型的未来发展方向.     

用CA方法模拟过冷熔体中自由树枝晶的生长

基于溶质扩散和界面能的作用，建立了过冷熔体中自由树枝晶的生长模型，考虑了成分过冷、曲率过冷和界面能各向异性，用胞元自动机（CA）方法模拟了枝晶生长、界面扰动以及分枝的竞争演化，对枝晶尖端生长速度和过冷度的关系进行了模拟计算，并与L-G-K理论模型进行了定量的比较。     

基于有限体积法的Al-Cu合金中Cu枝晶生长过程模拟

考虑成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性等因素,将有限体积法与元胞自动机相结合,对枝晶生长过程进行模拟,改进了界面推进和溶质扩散过程的计算.结果发现,过冷度、溶质浓度等因素对于枝晶的形貌和生长速度有着重要影响,而在合金的各种物性参数中,液相溶质扩散系数对于枝晶的生长影响尤为显著.     

枝晶生长的相场法模拟

采用相场法模拟了等温过程中枝晶长大过程。结果表明:晶粒经历了由球形经星形向复杂枝晶转变的过程;过冷度的增加使晶粒的生长速度增加。利用本模型成功模拟出各种不同择优取向的枝晶生长形貌。     

过冷熔体中非等温凝固枝晶生长相场法模拟

基于二元合金相场模型,建立了耦合溶质场和温度场的相场模型.采用有限差分法对控制方程进行了数值求解,模拟了Al-Cu二元合金非等温凝固时枝晶生长过程,研究了过冷度对等轴枝晶生长行为的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶的侧向越发达,甚至三次枝晶出现,枝晶尖端生长速度越大,计算范围内温差越大.     

二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟

利用相场模型与溶质场，温度场进行耦合计算，以Al-4.5%Cu合金为例模拟了二元合金非等温凝固和等温凝固的等轴枝晶生长过程。研究了扰动对过冷合金熔液中的等轴枝晶生长以及溶质场和温度场的分布的影响。结果表明：扰动的引入可以促进枝晶的二次晶臂生长，并使固相中的最高温度提高，但基本不影响枝晶尖端稳定行为；在枝晶生长过程中枝晶尖端的浓度和温度的梯度最大；在非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达，并且凝固界面的溶质浓度也会降低。     

相场法模拟对流对枝晶生长的影响

基于Tong相场模型发展得到的单相场控制多晶粒相场模型,采用相场、流场及温度场三场耦合的方法,对纯镍凝固过程中的枝晶生长进行了数值模拟.时比研究了有无对流情况下,单个枝晶不同择优取向的枝晶形貌和枝晶尖端生长速度;模拟了多个晶粒的竞争生长,再现了凝固过程中的枝晶生长过程.     

来流作用下Al-Cu合金枝晶生长的数值模拟

应用三维元胞自动机模型,耦合求解三维流场控制方程,模拟了来流对Al-Cu合金三维树枝晶生长的影响.结果表明,在来流作用下,背流侧二次枝晶受到抑制,迎流侧二次枝晶发达,枝晶尖端生长速度随来流速度增大而增大,枝晶尖端半径随来流速度增大而减小;与来流方向垂直的枝晶向迎流方向偏转,枝晶尖端来流与背流两侧呈不对称性,随着来流速度增大枝晶尖端不对称性增强.迎流侧枝晶尖端Péclet数随着来流速度的增大而增大.     

铝合金枝晶生长形貌数值模拟研究

采用宏微观耦合方法对铝合金枝晶生长形貌进行模拟计算。由于对整个试样进行微观计算存在困难 ,所以采取的方案是整体计算温度场 ,而微观组织计算则是在试样中心区域选取其中一个单元进行 ,该单元的微观组织模拟被简化为二维计算。采用较大的网格和时间步长Δt计算宏观温度场 ,当选取的单元温度降到液相线以下时 ,在一个宏观时间步长Δt内 ,采用小网格和小时间步长δt对该单元进行微观组织计算 ,宏观、微观计算交替进行。形核过程采用了高斯分布模型 ,生长过程由相场方程来控制。微观区域内的初始温度分布由周围的宏观单元温度插值得到 ,界面过冷包含热过冷、成分过冷和曲率过冷。溶质分布则用混合溶质守恒方程来描述。为了描述二次枝晶的产生 ,在相场模型中引入了噪声。模拟结果与实际浇注的试样的金相结果以及其他学者的结果进行了比较。     

Al-Zn合金等轴晶生长的三维相场法模拟

采用耦合了溶质场与热扰动的三维相场模型,对Al-Zn合金凝固过程中的等轴晶生长进行了模拟,研究了界面能各向异性参数、热扰动对枝晶生长的影响。结果表明,界面能各向异性参数改变会引发枝晶取向转变现象;热扰动的加入会促发二次枝晶的产生,但不改变枝晶尖端的稳态行为。随着热扰动幅值增大,二次枝晶幅值增大,二次枝晶间距无明显变化。