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相场法模拟强迫层流对凝固微观组织的影响

【摘要】:凝固过程中,过冷熔体强迫层流影响热量传输、质量传输和动量传输过程。为了更客观地再现凝固微观组织演化过程,研究强迫层流对枝晶凝固过程的影响机制。采用相场法,将描述枝晶生长过程的纯扩散相场模型(Phase Field Model)与可高效求解流动方程的自适应压力迭代修正Sola算法结合,建立了描述过冷熔体强迫层流对非等温凝固过程微观组织演化影响的新模型:Sola-Phase Field Model(S-PFM)。 基于新建立的S-PFM模型,以高纯丁二腈为模拟对象,考虑了结晶潜热和热扰动影响因素,研究了非等温条件下过冷熔体强迫层流对单个枝晶形貌和温度场的影响。分析了强迫层流速度对迎流方向、逆流方向、和垂直流动方向枝晶(后文简称:垂流方向枝晶)尖端生长速度的影响,模拟结果表明,熔体流动打破了等轴晶形貌对称性;与熔体无流动相比,迎流方向枝晶尖端生长速度增大,枝晶尖端曲率半径也增大。而且,熔体流入速度越大,迎流方向枝晶尖端生长速度越大,并且,模拟区域单个枝晶固相率越高。逆流方向枝晶尖端生长速度不稳定,当熔体流动速度增大或枝晶尺寸变得足够大时,在枝晶下游方向出现漩涡。 基于S-PFM模型,采用自行设计的随机格子法,模拟对比了熔体强迫层流对多个枝晶生长的影响。模拟结果表明,S-PFM模型与随机格子法结合,可以有效地模拟强迫层流对多晶粒生长过程的影响;对比熔体有流动和无流动时候的枝晶形貌发现,熔体有流动时候,二次枝晶臂向上游方向呈现“一边倒”的生长趋势。并且,固相率较低时,固相率与熔体层流流入速度成正比;固相率较高时,其固相率逐渐和熔体无流动时候的固相率相等。 最后,将本文模拟结果和结论跟国际同行研究者的成果作了对比。结果表明,采用S-PFM模型模拟结果与国内外研究结果吻合,此模型可以比较客观地描述过冷熔体强迫层流对凝固过程微观组织的影响。 本研究在理论上有助于更深刻地理解凝固微观机制;在工程上,为开发凝固宏-微观耦合模拟软件奠定理论基础,具有潜在实用价值。

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