基于LBM算法耦合流场的枝晶相场模型

【摘要】微观组织决定了铸件的宏观性能,掌握研究和控制铸件的微观组织形成也就能控制其力学性能和使用寿命,微观组织的模拟成为研制合金材料的新途径,数值模拟可以减少新材料研制成本和缩短研制周期,还可以为优化铸件性能提供依据。相场法可以和其他外场耦合,如温度场、浓度场和流场等,在计算机上比较真实的再现凝固过程。在凝固过程中,温度、质量和动量传输等因素影响了枝晶生长,过冷熔体中的对流对凝固中的传输有直接的影响。研究强迫对流和自然作用下枝晶生长,对深入理解枝晶凝固过程的影响机制有着重要的科学和工程意义。本文将模拟枝晶生长纯扩散相场模拟与高效计算流体运动的LatticeBoltzmann方法(LBM)模型相耦合,构造了相场-格子波尔兹曼二维传输模型(PF-LBM),该模型描述了在强迫对流时,过冷熔体流动对等温凝固过程微观组织演化的影响。基于建立的PF-LBM模型,以Al-4.5%Cu(质量分数)二元合金为模拟对象,模拟研究了枝晶在不同的流动条件不同各向异性及不同的初始成分对二元合金单枝晶生长的影响。结果表明：在纯溶质扩散时,枝晶的生长形貌呈现对称；但在强迫对流情况时,熔体的流动破坏了溶质的分布,枝晶的尖端生长在迎游方向的速度大于纯扩散时的速度,而在下游方向枝晶生长受到抑制,形成了与纯溶质扩散时不一样的非对称的枝晶生长形貌。同时枝晶的生长改变了液态金属间流动的压力方向,当流动速度增大时下游会出现漩涡,使下游枝晶生长的速度增加。各向异性系数增大时,各向主枝及侧向分支都逐渐变细,当各向异性增大到0.08时,枝晶生长开始出现异常,枝晶界面失稳；强迫对流会增强各向异性强度对凝固过程枝晶的生长的影响。液相中自然对流的存在能够显著改变浓度和温度分布,使枝晶沿流向的生长呈现不对称性。温度梯度的增加会增大自然对流流场的强度,从而加速枝晶不对称形貌的发展及合金凝固速率。由于随着初始成分浓度的升高,枝晶生长过程中界面前沿将富集较高浓度的溶质,其生长驱动力也会随之降低,所以合金初始成分浓度的增加都使得枝晶臂变细,使得凝固速度减慢。
【作者】张辛健；
【导师】王智平；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】相场法；二元合金；LBM-PF模型；强迫对流；自然对流；

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