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湍流作用下合金枝晶生长的相场法模拟

【摘要】:铸件凝固过程中形成的微观组织形貌特征强烈影响铸件力学性能和使用寿命。深刻了解和掌握金属熔体流动对枝晶生长的影响规律可以对铸件的性能进行有效预测和控制。 相场法能够研究平衡状态下微观组织的生长演变过程,避免跟踪复杂固液界面。将相场与流场、溶质场和温度场等其它外场耦合,可以定性地模拟界面波动、过冷度、各向异性和动力学效应等因素对枝晶生长的影响。 本文基于改进的KKS模型,将湍流流动控制方程组耦合到相场模型中,模拟湍流作用下Al-2.5%Cu合金等温凝固过程中金属熔体流动、过冷度等因素对枝晶生长形貌和溶度场分布的影响。在建立相场模型时忽略凝固过程温度的变化;在计算相场模型时采用Simple算法求解动量和连续方程,采用显式差分法求解相场、溶质场和k-方程;编制VC++程序求解离散方程;利用Origin软件对得到的数据进行可视化处理并对得到的结果进行分析。 通过模拟研究,取得了以下主要结论:湍流的存在严重影响合金凝固过程枝晶的生长形貌和溶质场分布。湍流带来的涡旋引起凝固界面波动,诱发枝晶侧向分枝的生长。各向异性能够放大扰动的效果,约束枝晶尖端的自由生长,促进枝晶生长。在湍流作用下,枝晶的对称性形貌遭到破坏,枝晶上游的枝晶生长速度加快,液相溶质浓度降低,枝晶尖端曲率半径减小;枝晶下游方向枝晶生长受到抑制,液相溶质浓度升高,一次枝晶臂尖端曲率半径增大。流速越大,枝晶上游方向的枝晶生长速度越快,二次枝晶数目越多,形貌越发达,尖端曲率半径越小,固液界面溶质扩散层越薄,液相溶质浓度越低,固相溶质浓度越高;枝晶下游方向枝晶生长速度越慢,形貌更滞后,液相溶质浓度越高,固相溶质浓度越低,枝晶尖端曲率半径越大。初始温度越高,过冷度越低,枝晶生长速度越慢,形貌越滞后,固相和固液界面前沿溶质浓度越低。

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