过冷熔体枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟纯物质过冷熔体中的枝晶生长过程,研究各向异性强度、过冷度、扰动等对枝晶生长的影响.结果表明,扰动会促发侧向分枝的形成,但不影响枝晶尖端的稳态生长行为;随着各向异性强度的增大,枝晶尖端生长速度加快,枝晶结构特征愈加明显;过冷度的增加,枝晶尖端稳定性遭到破坏,甚至出现分叉.讨论网格步长对模拟结果的影响,指出在兼顾精度与效率的同时应优先选取粗网格.     

枝晶生长的相场法数值模拟

利用一个简单的相场模型,对过冷熔体中枝晶的生长形貌进行数值模拟,定性分析各向异性强度、无量纲潜热及扰动因子等对枝晶形貌的影响.结果表明,枝晶主干生长速度随着各向异性强度的增大而增大,并且枝晶结构强烈依赖于各向异性强度;随着无量纲潜热的增大,晶体生长过程中枝晶结构特征愈加明显;扰动对枝晶结构特征有一定的影响,随着扰动因子的增加,枝晶间竞争生长加剧.     

常速度流场下纯物质枝晶生长的相场法模拟

用相场法模拟金属枝晶在常数速度流场下的生长过程。相场模型的离散采用有限差分法;对不同速度、各向异性、方向角、界面宽度等因素对金属枝晶形貌和生长的影响进行了研究。得出的结论:在有速度情况下,枝晶形貌不对称;不同速度会对枝晶的形貌产生不同的影响;在常数速度流场条件下,流速、方向角、界面宽度、各向异性越大,枝晶生长的就越快,枝晶长的越发达。     

PF-LBM模型模拟强迫对流对二元合金枝晶生长的影响

建立一个耦合格子玻尔兹曼方法(LBM)与相场法的二维模型,以Al-Cu二元合金为例对强制对流作用下合金凝固过程中的枝晶生长行为进行模拟.研究流动速度和各向异性系数对金属凝固过程中枝晶生长的影响.结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快,流速增大会产生涡流,使下游枝晶也生长加速;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长,流场存在会增强各向异性强度对凝固过程枝晶生长的影响.     

强迫对流下各相场参数对枝晶生长的影响

利用耦合流场的相场模型,以N-iCu二元合金为例研究各相场参数对金属凝固过程中枝晶生长的影响。结果表明:对流对枝晶形貌影响很大,上游枝晶的枝晶臂最长,下游枝晶臂最短,整个枝晶呈现非对称形貌;对流速度越大,上游枝晶生长越快;各向异性系数越大,主枝枝晶臂越瘦长;扰动的引入可以促进枝晶二次枝晶臂的生长,但基本上不影响枝晶尖端稳态行为。     

强制对流作用下溶质枝晶生长的CA-LBM模拟

应用一个二维的元胞自动机(cellular automata, CA)-格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 耦合模型,对合金等温凝固过程中溶质枝晶在强制对流作用下的生长规律进行了模拟研究.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶生长,同时采用基于分子动理论的LBM模拟枝晶生长过程中的流场和浓度场.应用该模型模拟分析了过冷度和成分等因素对Al-Cu合金在纯扩散和对流作用下单枝晶的生长规律的影响.结果表明,在纯扩散条件下,模拟的枝晶稳态生长尖端速度、半径、Peclet数和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz (LGK)模型的预测结果吻合良好.对流作用下枝晶的生长形貌呈现出了不对称性,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制.合金成分和初始过冷度等因素会对枝晶形貌和生长动力学产生影响.     

数值模拟多晶粒生长形貌

基于相场方法,对包含多晶粒的纯物质凝固过程进行了二维数值模拟.以镍为例,展示了界面形貌的生长过程,研究了各向异性参数对枝晶界面形貌的影响.结果表明:随着模拟时间的增加,各晶核由独立生长演化为竞争生长,晶臂间区域的晶臂生长受到抑制.随着各向异性值的增大,各枝晶相貌大小均逐渐增大,同时晶臂间区域减小导致晶臂的竞争生长加强,最后在该区域呈排斥性生长.     

基于自适应有限元枝晶自由生长相场模型模拟

利用相场模型模拟了过冷熔体中单个完整等轴枝晶在凝固过程中的生长和形貌演化,采用自适应有限元方法求解相场模型的控制方程,研究了在计算域较大、界面层厚度较薄的情况下各向异性和过冷度等物理参数对枝晶形状和生长的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶间竞争越激烈,生长速度越慢;各向异性系数越大,枝晶沿选定方向生长的趋势越强,生长速度越快,二次枝晶间距越小,侧向分枝越发达. 与有限差分方法(FDM)相比,采用自适应有限元法(AFM)在CPU计算时间和存储空间均降低了一个数量级,并且系统尺寸越大,自适应有限元法优势越明显,便于更大尺度多场耦合相场模型的数值模拟.通过比较均匀网格法和以往的晶体生长数值模拟实验,证明了自适应有限元法的准确性、高效性和鲁棒性.     

相场法模拟界面能各向异性对枝晶生长行为的影响

采用修正的相场模型，模拟了纯物质在深过冷条件下界面能各向异性对晶体生长行为的影响．结果表明，各向异性模数很小时，枝晶形态为典型的海藻晶；当各向异性模数较大但仍小于临界值（1/15）时，枝晶形态为光滑枝晶；而当各向异性模数大于该临界值后，某些方向的生长将消失，呈现为棱面枝晶形态．当各向异性模数小于临界值（1/15）时，枝晶尖端生长速度随各向异性的增强而线性增大；当各向异性模数大于0.1后，枝晶尖端生长速度增大、速率减小并逐渐趋于定值．强各向异性与弱各向异性下的情况类似，枝晶尖端生长速度都表现出随界面厚度参数的减小而逐步收敛的趋势．     

基于自适应有限元法的纯物质三维枝晶生长模拟

基于高性能计算特性的自适应有限元方法,较大尺度地求解三维相场模型,定量模拟纯物质三维枝晶的凝固过程,研究过冷度、各向异性系数等相场参数对三维枝晶的影响.结果表明:过冷度和各向异性系数越大,三维枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小,并得到与结晶理论相一致的枝晶生长规律.此外,在CPU耗费时间上自适应有限元方法比均匀网格方法降低一个数量级,并且当系统尺寸越大时越能体现出自适应有限元方法的优越性,为大尺度多场耦合相场模型的模拟提供便利.     

超声处理溶液中蔗糖晶体的生长

研究超声处理对溶液结晶晶体生长的影响。结果表明，作用效果与晶休尺寸和空化泡半径有关，当晶种尺寸小于空化泡半径时，超声对晶体生长有促进作用；而当晶种尺寸数倍大于空化泡半径时则有反作用，使晶休表面凹蚀。     

搅拌条件下晶体游离模型探讨

通过对型臂晶体及枝晶臂的力学分析,提出了晶体游离的条件,进而研究了各种游离模型的适用范围。结论认为,型壁晶体及枝晶臂都可能是游离晶的来源。凝固初期,型壁晶体的机械剥离为主,后期则主要是枝晶臂游离。枝晶臂游离随流动系数的不同可以有颈缩－ 熔断和颈缩－ 折断两种模式。无颈缩枝晶臂游离在搅拌条件下也几乎是不可能的。     

风力送丝系统中S型弯管内纯空气流的阻力受管形影响研究

为减少烟丝气力输送系统阻力损失以提高系统风力利用率，对系统中S型弯管的流场特性与阻力特性进行了研究．用Fluent软件模拟了纯空气通过S型弯管时管内流场特性及S型弯管内的压降，分析了弯管夹角（θ）、弯管曲率半径（r）与料管直径（D）之比对S型弯管流场特性及其压降的影响．研究发现，单位长度S型弯管的压降随弯管夹角及弯管曲率半径增大而减小，弯管夹角（θ）和弯管曲率半径（r）与料管直径（D）之比的最佳取值范围分别为θ≥75°和6≤r／D≤15．所得到的结论为优化设计S型弯管提供了参考．     

文丘里管反应器空化泡的动力学特性

应用四阶Runge-Kutta法,对空泡径向非线性方程进行数值模拟,分析了文丘里管反应器内空泡的成长与溃灭特性以及湍流作用、空化泡初始半径、入口压力对空化泡运动特性与形成压力脉冲的影响规律.结果表明:在湍流作用下,气泡崩溃时压力脉冲远大于非湍流的效果,初始半径越小,压力脉冲越大,入口压力变化对压力脉冲影响有一最佳值.     

不同对称性条件下光子晶体局域态的演化

光子晶体不仅可以用来调控自发辐射,还可以用来控制光的传输和局域.研究采用平面波展开法进行模拟计算.首先改变光子晶体H1缺陷及其附近介质柱的半径,使得光子晶格缺陷处超晶胞的旋转对称性具有C6v,C3v或C2v等点群的性质;然后分析二维圆形介质柱三角光子晶体的局域态在光子禁带中演化.计算结果表明：随着介质柱的半径的变化,光子晶体局域态会发生变化,其演化表现出阶段性;同时随着对称性破缺程度的加深,会有更多缺陷态进入光子禁带.计算选择硅（Si）作为介质柱材料,主要为硅基光子晶体激光器的选模提供理论参考.     

电磁场作用中近液相线铸造ZL201合金的组织及其机理

以ZL201合金为研究对象,采用降低浇铸温度同时施加电磁场的模铸工艺,研究了ZL201合金的凝固组织及组织细化机理.结果表明:在液相线温度附近施加电磁场,合金组织为均匀、细小非枝晶组织;随着电流增大和冷却增强,组织细小、均匀的趋势增强;低过热度浇铸时,临界晶核半径减小,此时在电磁场作用下,熔体的温度梯度降低,促进了准固相原子团簇在熔体中的形成,形核率增大,组织细小、均匀.凝固初期,由于电磁场作用使溶质分布均匀,熔体中晶核向各方向的长大速率趋于一致,晶粒以近球形长大.     

相场法模拟定向凝固微观组织演化研究进展

定向凝固是一种新型的铸造成型技术,能够很好地呈现出凝固过程中界面形态的演化过程,而相场法在如今微观组织数值模拟领域中是最具有优势的一种研究方法.介绍了相场法数值模拟的基本原理,阐述了国内外学者对二元或多元合金在受流场、溶质间相互作用和各向异性、过冷等因素条件影响下自由枝晶和小晶面枝晶的相场法模拟的研究进展,说明了采用相场法耦合溶质场和计算相图等方法在其他微观组织中的应用,并且指出了相场法在模拟定向凝固微观组织领域中所存在的不足之处以及未来的发展趋势.     

半导体桥对粒状炸药的微对流传热数值模拟

该文用气固两相流理论研究半导体桥使奥克托今炸药受热发火的微对流传热过程，建立了数值计算的数学模型，并采用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ差分格式进行了数值模拟计算。计算结果说明硅蒸汽冷凝释放潜热在使炸药受热时起主要作用。     

Determination of interface width value in phase-field simulation of dendritic growth into undercooled melt

The influence of the interface width value on the simulation results and its dependence upon thermo-physical parameters in the phase-field simulation of dendritic growth into undercooled melt are investigated. After choosing the reasonable interface width value, the tip velocities of dendritic growth in Ni melt under different undercoolings are calculated and compared with the experimental data in order to benchmark our results. It is shown that the reasonable interface width value， which is determined by the undercooling, anisotropy, interface kinetic, and thermal diffusivity， has to be taken low enough, and the agreement of our results with experimental data verifies that the credible results can be achieved as long as the interface width value is adequately low. This paper provides the basis of determining interface width value in simulating dendritic growth into undercooled melt by phase-field approach.     

基于计算流体力学的循环圆设计参数对液力变矩器的性能影响预测

为了提高改型设计效率,建立了液力变矩器参数化流道模型并进行三维流场仿真计算,与试验数据对比结果验证了参数化模型的可靠性。在此基础上,分别研究了相对截面积、扁平率、循环圆径向比和进出口半径等循环圆设计参数对液力变矩器性能的影响,并对比分析了各设计参数对液力性能的影响程度。结果表明,相对截面积对失速泵轮能容系数影响最大,但对失速变矩比和最大效率影响最小;扁平率、泵轮出口半径和导轮进出口半径对失速变矩比均有较大影响;而泵轮出口半径对最大效率影响最大。研究结果为液力变矩器的优化设计提供了理论参考。