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.     

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．     

相场法模拟过冷熔体枝晶生长的界面厚度参数的取值

研究了用相场法模拟纯物质过冷熔体枝晶生长过程中,界面厚度的取值对模拟结果可靠性的影响及影响界面厚度取值的因素;然后,在选取合理界面厚度取值的基础上,计算了不同过冷度下纯镍过冷熔体枝晶生长的速度并与实验进行了比较.研究表明:为了获得可靠的计算结果,界面厚度的取值应足够小;合理的界面厚度的取值由过冷度、各向异性、界面动力学、热扩散系数等参数综合决定;在选取合理界面厚度的基础上,模拟结果与实验吻合,证明界面厚度足够小时可获得可靠的模拟结果.为相场法模拟过冷熔体枝晶生长时的界面厚度参数的取值提供了依据.     

合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型

在枝晶晶粒的尺度上，从同时满足溶质守恒与热平衡的原则出发，提出了合金凝固过程中等轴枝晶生长的数学模型。该模型由４个相互联系的微分方程组成，可通过计算机求解，为模拟枝晶合金凝固组织的形成过程奠定了初步基础。     

工艺因素对灰铸铁中γ枝晶生长形貌的影响

试验研究了灰铸铁中γ枝晶的生长形貌及工艺因素的影响作用。发现γ枝晶按其生长形貌特征可分为外生柱状枝晶、发达等轴枝晶和短粗的不发达的内生等轴枝晶三种基本类型。浇注温度对枝晶生长形貌影响较为显著，高温浇注易获得外生柱状枝晶；接近初晶凝固温度浇注易获得内生等轴枝晶，１３００℃左右浇注易获得发达等轴枝晶，且其相应的抗拉强度最高．铸型条件主要影响枝晶数量、晶臂间距和次生晶臂长度。铁水用硅基孕育剂进行孕育处理，对γ枝晶的生长形貌影响不大。     

用相场方法模拟纯物质在过冷状态下的二维枝晶生长

通过相场理论建立了纯物质镍在过冷溶液中枝晶生长的相场模型．把相场方程和温度场方程进行耦合，建立了相对应的相场模型．该模型以熵增加函数为基础，通过熵增加函数推导出热力学一致性的相场控制方程．利用上述的模型和方法在计算机上编制二维组织凝固模拟程序得出结论：网格精度影响模拟过程的精确度；各向异性强度影响枝晶尖端生长速度。     

纯物质过冷熔体中自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

基于自适应有限元方法,通过求解表征纯物质相场模型的非线性抛物型方程,研究镍过冷熔体中不同起伏情况下单个完整等轴枝晶的演化过程.模拟结果表明:采用自适应有限元方法求解相场模型时结果更接近真实物理模型,在计算终止时整个计算域节点数仅为2.79×105个,远小于采用相同网格间距普通方法的1.6×106个,较大不同计算域对枝晶尖端速度的平衡值影响不大;随着起伏强度的增大,枝晶尖端获得更高的温度梯度,等温线波动更大,一次枝晶臂表面失稳,二次枝晶臂向过冷溶液中凸起的趋势越强,二次枝晶臂越发达.     

三元Sb60Ag20Cu20合金中枝晶与共晶的快速生长

采用深过冷方法实现了三元Sb₆₀Ag₂₀Cu₂₀合金的快速凝固, 最大过冷度达到142 K(0.18T_L). 在40~142 K过冷范围内, 合金凝固组织由(Sb), θ (Cu₂Sb)和 ε (Ag₃Sb)相组成. 深过冷扩大了(Sb)相的固溶度, 从而使其点阵发生膨胀, 点阵参数值增大. 初生(Sb)相存在两种生长方式: 小过冷条件下主要以非小面相枝晶形式生长; 大过冷条件下呈现小面相枝晶生长. (Sb)和θ相的晶体结构差异较大, 使合金熔体到达(θ+Sb)共晶线时不易生成(θ +Sb)二相共晶, 而是形成条状θ 相. θ 和 ε 相具有较强的协同生长趋势, 因此易于形成( ε + θ )二相共晶. 另外, 根据微观组织特征和DSC实验结果确定了合金的快速凝固路径.     

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.     

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.     

Al-Si合金枝晶生长相场法模拟影响因素

采用相场法技术,确定了噪声、初始晶核半径、各向异性及过冷度等因素对枝晶生长形貌模拟的影响规律.结果表明:在保证初始晶核不被熔化的前提下,初始晶核半径r0的大小不影响模拟结果;随着界面各向异性系数的增大,枝晶尖端生长速度以线性方式增大,而枝晶尖端半径以抛物线方式减小;过冷度越小,枝晶的生长越困难,越不能出现二次枝晶.相场法模拟影响因素对枝晶生长形貌模拟有重要的影响.     

液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟

为了揭示高温液态金属熔体中气泡运动规律及其彩响因素,应用VOF方法对单个气泡在液态金属中的运动特性进行了数值计算,得到了与实验数据相符合的气泡变形及上升速度规律;分析预测了表面张力对气泡变形过程的影响及单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹．结果表明,气泡的变形随着奥托斯数的减小而减小;其运动规律是呈螺旋式上升的,容器半径越小、气泡越小,气泡的摆动幅度越大．     

钢液/（N2、H2）过饱和体系中气泡生长的数值分析

采用水/CO2体系模拟研究钢液/( N2、H2)过饱和体系中气泡生长动力学行为,分别建立水溶液和钢液中气泡形核长大机理模型。基于三种不同的气泡生长数学模型,分别研究水/CO2和钢液/( N2、H2)体系数学模型中气泡生长动力学,并采用水模型实验数据对数学模型进行验证。分析钢液/( N2、H2)体系前期和后期处理压力以及钢液深度等因素对气泡生长的影响。研究表明：采用气泡浮选去除夹杂物技术时,前期处理压力对气泡生长有显著促进作用;后期处理压力对气泡生长有阻碍作用,随着后期处理压力的升高影响逐渐加强;钢液深度对气泡生长有阻碍作用,随着钢液深度的增加影响逐渐减弱;相比氮气,钢液中氢气气泡析出长大更快。     

在强加来流作用下二元系中枝晶生长的稳态解

研究了远场来流作用下二元系中的枝晶生长.当Schmidt数很大时,应用渐近分析方法得到枝晶稳态生长的渐近解,其温度场和浓度场的首级解、一级解均为相似性解,枝晶形状为存在细微波动的旋转抛物面.远场来流的强弱影响着枝晶生长的Peclet数的大小,进而影响着枝晶的尖端半径与生长速度.当过冷度一定时,在枝晶尖端或在枝晶前沿处的温度随着流场的增大而减小,而溶质浓度随着流场的增大而增大.     

电磁力驱动载流金属熔体内剪应力的差分方法

依据差分方法将电磁流体控制方程及牛顿粘性方程离散化，得到差分方程，计算了在电磁力作用下方形铸模腔内载流金属熔体的剪应力，计算分析了电磁力对载流熔体流动的作用，讨论了不同励磁电流、频率对熔体剪应力的影响和电磁力作用与熔体内剪应力的相互关系。     

双辊铸轧过程金属熔池液面的优化控制

在采用双辊铸轧技术生产金属薄板的过程中,辊间金属熔池液位会对薄板质量产生直接影响,由于液位控制参数间存在着强耦合关系,传统控制手段难以实现最优控制。采用以模糊数学和控制理论为基础的模糊控制是实现熔池液位智能控制的有效方法。但传统的模糊控制极大地依赖于专家经验,这使控制过程具有了主观性和不确定性。为此本文提出一种基于自适应遗传算法优化的双辊铸轧机金属熔池液位的模糊控制方法。仿真证明,与传统的模糊控制相比,改进的控制方法在动态性能上有明显提高。     

Rapid dendritic growth of Al-Ge hypoeutectic alloy in a drop tube

Abstract Dendritic growth in Al-45% Ge hypoeutectic alloy has been investigated during free fall in a 3 m drop tube. Calculationsindicate that the undercooling obtained for the falling Al-45% Ge droplets ranges from 13 K to 201 K. The maximum undercooling attains0. 27 T_L. With the increase of undercooling, the primary (Al) phase undergoes a "columnar dendrite to equiaxed dendrite" structural tran-sition. According to the current rapid dendritic growth theory, the growth of primary (Al) phase is always controlled by solute diffusion.     

枝晶生长的介观尺度三维数值模拟

为预测合金介观组织的形成与演变,提出了改进的三维元胞自动机(CA)模型。该模型采用枝晶形状函数,简化描述介观区域的枝晶生长轮廓;利用基于Eu ler角的空间坐标转换,描述随机晶向的多晶粒生长;采用H ash表加速算法,耦合了溶质场计算,采用数值算法处理固液界面的溶质再分配。该模型可模拟大范围随机取向的多晶粒生长过程,并具有较高的计算效率。结果表明:不同模拟区域和网格剖分尺寸对晶粒体积的分布规律没有明显影响;较快冷却速度下,存在溶质富集和枝晶偏析。对A l4Cu合金的砂型和金属型试样的显微组织分别进行模拟,结果与实验符合较好。