枝晶生長(zhǎng)和氣孔形成的數(shù)值模擬.pdf

1、枝晶生長(zhǎng)和氣孔形成過程是影響合金凝固組織的重要因素。理論和實(shí)驗(yàn)研究方法都有一定的困難和局限性。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為研究凝固微觀組織演化的重要手段，它為理論和實(shí)驗(yàn)研究提供參考和依據(jù)。本論文針對(duì)凝固過程中枝晶生長(zhǎng)和氣孔形成過程開展模擬研究，完成的主要工作如下:
　　 本文首先基于Shan-Chen多相流模型，建立了模擬氣孔形成的氣-液兩相流二維格子Boltzmann方法(latticeBoltzmann

2、method，LBM)模型，將氣-液兩相流的LBM模型和模擬枝晶生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)(CellularAutomaton，CA)模型相耦合，建立模擬枝晶生長(zhǎng)和氣孔形成的CA-LBM耦合模型，開發(fā)出相應(yīng)的程序。應(yīng)用Laplace定理和單氣泡的生長(zhǎng)過程對(duì)氣-液兩相流的LBM模型進(jìn)行了驗(yàn)證。應(yīng)用氣-液-固三相之間的潤(rùn)濕性現(xiàn)象對(duì)CA-LBM耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 應(yīng)用CA模型對(duì)Al-Cu合金在純擴(kuò)散條件下的枝晶生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行了模擬研究。分

3、析了初始過冷度和冷卻速度等因素對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨初始過冷度增大和冷卻速度的加快，枝晶生長(zhǎng)速率增加，枝晶臂變細(xì)。
　　 應(yīng)用CA-LBM耦合模型對(duì)枝晶生長(zhǎng)和氣孔形成進(jìn)行了模擬研究。分析了CA與LBM不同時(shí)間步長(zhǎng)比條件下枝晶生長(zhǎng)對(duì)氣孔形貌的影響，研究了不同初始?xì)怏w含量和氣-液界面張力條件下氣孔的形成和生長(zhǎng)。結(jié)果表明，CA的時(shí)間步長(zhǎng)小于或者等于LBM的時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，枝晶會(huì)繞過氣孔生長(zhǎng)，氣孔在枝晶間不易發(fā)生變形和運(yùn)動(dòng);CA

4、的時(shí)間步長(zhǎng)大于LBM的時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，氣孔會(huì)在枝晶間發(fā)生變形生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)。初始?xì)怏w含量越高、氣-液界面張力越大時(shí)，氣孔的體積分?jǐn)?shù)越高，氣孔的最大半徑越大，氣孔的形核時(shí)間越短。定向凝固過程中枝晶和氣孔生長(zhǎng)的模擬結(jié)果再現(xiàn)了枝晶的擇優(yōu)生長(zhǎng)、氣孔的優(yōu)先形核位置、氣孔的長(zhǎng)大、合并、在枝晶間受擠變形、在液相通道中的運(yùn)動(dòng)以及枝晶和氣孔的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)等物理現(xiàn)象。模擬結(jié)果與透明合金材料環(huán)己烷定向凝固的原位觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。本模型的模擬結(jié)果可以幫助我們加深理解在