枝晶生長和氣孔形成的數(shù)值模擬.pdf

1、枝晶生長和氣孔形成過程是影響合金凝固組織的重要因素。理論和實驗研究方法都有一定的困難和局限性。隨著高性能計算技術的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法已經成為研究凝固微觀組織演化的重要手段，它為理論和實驗研究提供參考和依據(jù)。本論文針對凝固過程中枝晶生長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的元胞自動機(CellularAutomaton，CA)模型相耦合，建立模擬枝晶生長和氣孔形成的CA-LBM耦合模型，開發(fā)出相應的程序。應用Laplace定理和單氣泡的生長過程對氣-液兩相流的LBM模型進行了驗證。應用氣-液-固三相之間的潤濕性現(xiàn)象對CA-LBM耦合模型進行了驗證。
　　 應用CA模型對Al-Cu合金在純擴散條件下的枝晶生長規(guī)律進行了模擬研究。分

3、析了初始過冷度和冷卻速度等因素對枝晶生長的影響規(guī)律。結果表明，隨初始過冷度增大和冷卻速度的加快，枝晶生長速率增加，枝晶臂變細。
　　 應用CA-LBM耦合模型對枝晶生長和氣孔形成進行了模擬研究。分析了CA與LBM不同時間步長比條件下枝晶生長對氣孔形貌的影響，研究了不同初始氣體含量和氣-液界面張力條件下氣孔的形成和生長。結果表明，CA的時間步長小于或者等于LBM的時間步長時，枝晶會繞過氣孔生長，氣孔在枝晶間不易發(fā)生變形和運動;CA

4、的時間步長大于LBM的時間步長時，氣孔會在枝晶間發(fā)生變形生長和運動。初始氣體含量越高、氣-液界面張力越大時，氣孔的體積分數(shù)越高，氣孔的最大半徑越大，氣孔的形核時間越短。定向凝固過程中枝晶和氣孔生長的模擬結果再現(xiàn)了枝晶的擇優(yōu)生長、氣孔的優(yōu)先形核位置、氣孔的長大、合并、在枝晶間受擠變形、在液相通道中的運動以及枝晶和氣孔的競爭生長等物理現(xiàn)象。模擬結果與透明合金材料環(huán)己烷定向凝固的原位觀察實驗結果吻合良好。本模型的模擬結果可以幫助我們加深理解在