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流场作用下合金枝晶生长的相场法数值模拟

【摘要】: 相场法是凝固微观组织数值模拟的有效方法。通过相场与温度场、溶质场、流场及其它外场的耦合,可以直接模拟金属凝固过程固相和液相中的溶质偏析、枝晶分枝的形成、熟化和重熔等复杂的现象,并能定量地研究固液界面曲率效应、动力学效应、扰动、各向异性对凝固微观组织形貌的影响。近年来,耦合流场枝晶生长的相场法模拟是国内外学者的研究热点之一。 本文在现有二元合金纯扩散相场模型的基础上,建立了耦合流场、溶质场和温度场的相场模型。采用基于同位网格的Simple算法求解质量和动量守恒方程,解决了因压力带来的求解难题;采用显示有限差分法离散相场、溶质场和温度场控制方程,为了节省时间,在网格剖分时还采用了双重网格法。数值计算时,为了避免时间步长的限制,提高计算效率,温度控制方程则采用交替方向隐式法(ADI算法)。利用VC++语言,编制了流场作用下过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟程序,模拟了对流作用下Al-Cu二元合金等温和非等温凝固过程中枝晶的生长,探讨了空间网格尺寸的大小、各向异性强度和随机的扰动对模拟结果的影响,确定了这些相关参数的取值。通过模拟研究了对流速度和过冷度对枝晶生长形貌、溶质场以及温度场的影响,将流场作用下二元合金等温和非等温凝固枝晶生长过程进行了比较,分析了凝固潜热的释放对流场作用下枝晶生长的影响。 研究结果表明:在对流作用下,枝晶呈非对称性生长,上游枝晶的生长得到促进,下游枝晶的生长受到抑制,法向枝晶的生长几乎不受影响,但法向枝晶主干向上游方向倾斜。等温和非等温条件下枝晶生长形貌和溶质场分布随对流速度和过冷度的变化是一致的,对流速度越大,上游枝晶的生长速率越快,二次枝晶越发达,尖端曲率半径越小;下游枝晶的生长速率越慢,尖端曲率半径越大;法向枝晶向上游方向的倾斜角度越大;过冷度越大,枝晶的生长速度越快,尖端曲率半径越小。但在非等温条件下枝晶的生长速度慢,二次枝晶没有等温时发达。

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