枝晶和氣孔演化規(guī)律的格子Boltzmann方法數(shù)值模擬.pdf

1、金屬凝固過(guò)程中，枝晶和氣孔形貌是影響材料宏觀性能的一個(gè)重要因素，但實(shí)驗(yàn)和理論研究都存在一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)研究金屬凝固過(guò)程是目前材料科學(xué)和制造科學(xué)發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域之一。本論文針對(duì)凝固過(guò)程中枝晶和凝固界面等顯微組織和氣孔演化過(guò)程開(kāi)展模擬研究，并進(jìn)行透明合金驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，完成的主要工作如下:
　　 自行研制透明材料定向凝固過(guò)程的實(shí)時(shí)觀察裝置。該裝置可精確地控制溫度梯度和凝固速度，清晰地觀察透明材料

2、定向凝固過(guò)程中凝固界面和枝晶的生長(zhǎng)，氣泡形成與演化過(guò)程。
　　 基于Shan-Chen多相流格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method，LBM)模型，采用考慮次鄰近網(wǎng)格影響和不同時(shí)間步長(zhǎng)的方法，建立了大密度比的LBM模型，與模擬枝晶生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automaton，CA)方法，模擬溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的有限差分(Finite Difference Method，F(xiàn)DM)方法耦合，

3、建立了耦合的LBM-CA-FDM模型。應(yīng)用大密度比LBM模型模擬了單氣泡的生長(zhǎng)并測(cè)試了氣液界面的虛速度，表明本文建立的LBM模型可以穩(wěn)定地模擬密度比達(dá)800以上的兩相流。隨后，通過(guò)Laplace定理和氣-液-固三相之間的潤(rùn)濕性模擬對(duì)大密度比LBM模型進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 采用大密度比LBM-CA-FDM耦合模型對(duì)定向凝固時(shí)凝固前沿和氣泡的相互作用進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，絕熱氣泡的存在影響了溫度場(chǎng)，導(dǎo)致凝固前沿向著氣泡方向凸起。隨凝固速

4、度從高到低變化，凝固界面與氣泡的相互作用變化趨勢(shì)為:固相吞沒(méi)氣泡、固相和氣泡競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)而形成葫蘆狀氣孔形貌、氣泡被凝固前沿推開(kāi)。在適當(dāng)?shù)哪趟俣认?，氣泡與凝固前沿協(xié)同生長(zhǎng)，形成長(zhǎng)條狀氣孔。
　　 模擬研究了不同位置和大小的氣孔對(duì)枝晶生長(zhǎng)形貌的影響。結(jié)果表明，當(dāng)氣孔出現(xiàn)在兩枝晶間時(shí)，氣孔對(duì)枝晶生長(zhǎng)和排列影響最小。當(dāng)氣泡出現(xiàn)在枝晶側(cè)邊時(shí)，氣泡對(duì)枝晶生長(zhǎng)和排列的影響最為明顯。隨氣泡的增大，其對(duì)枝晶生長(zhǎng)和排列的擾動(dòng)明顯增大。氣-液界面張力