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.     

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.     

相场法模拟冰晶生长的参数优化

水溶液冻结过程生成的冰晶是低温保存中造成细胞损伤的主要原因.研究如何降低冰晶形成和生长过程对细胞伤害的方法,是低温生物研究的重要课题.本文采用国内外描述相变微观结构的相场模型,将体系视为水和溶质二元系统,研究了界面厚度尺度、各向异性强度和过冷度对结晶过程冰晶生长的影响.结果表明:界面厚度影响模拟结果,为了获得可靠的计算结果,界面厚度参数取值为3.00dx;各向异性系数大小对冰晶形貌有很大影响,取值越大,冰晶的二次分枝越发达,且尖端速度波动的幅值越大,各向异性系数取值范围0.010~0.025;过冷度明显影响冰晶的生长和形貌,过冷度大,冰晶生长速度加快,二次分枝发达,形貌变化较大,固相率也随之变大.参数优化结果为:界面厚度尺度等于3.00dx,各向异性系数等于0.023,过冷度等于20K的模拟结果与低温显微镜下观察到的冰晶生长形貌试验结果相吻合.     

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.     

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.     

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.     

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.     

各向异性影响非等温凝固过程的相场法模拟

采用相场法,模拟Ni-Cu二元合金非等温凝固时各向异性系数对晶体生长行为的影响.结果表明,各向异性系数越大,二次枝晶越发达,枝晶生长速度越快.潜热的释放,致使固相区温度比液相的高,而且在二次枝晶生长速度最快的固/液界面处的温度最高.固/液界面温度的升高,使过冷度降低,晶体的生长受到抑制,生长速度出现波动.     

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．     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

液态Fe—Sb合金中枝晶生长规律研究

液态Fe-10％Sb合金在熔融玻璃净化和自由落体实验条件下,分别达到429K（0．24TL）和568K（0．32TL）过冷度．深过冷并没有改变合金的相组成,快速凝固组织中只有αFe单相固溶体．熔融玻璃净化实验研究发现,αFe枝晶生长速度随过冷度呈指数函数变化．当过冷度△T〈296K时,枝晶生长速度随过冷度增大而升高,并在296K过冷度处达到极大值1．38m／s．若合金过冷度进一步增大,αFe枝晶生长速度则呈现降低趋势．枝晶生长形态演变的主要规律是,小过冷条件下αFe相以粗大枝晶方式生长,而深过冷合金熔体中形成蠕虫状枝晶．溶质截留程度主要取决于实际枝晶生长速度而不是过冷度大小,同时也与冷却速率相关．由于其结晶温度间隔比较宽大,尽管快速枝晶生长显著抑制了溶质偏析,但是Fe-10％Sb合金仍难以实现完全无偏析凝固．     

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.     

过冷度影响海水结冰形状与速度的相场模拟

为了研究船舶结构结冰的微观机理,进行了模拟计算.基于Wheeler相场模型,使用有限差分法,对不同过冷度下海水凝固形状进行模拟.在模拟过程中,将海水视为盐和纯水的二元混合物,通过设置冰物理参数和引入晶核方式保证了冰晶生长的真实性.计算时,设置4个晶核模拟冰晶生长,讨论不同过冷度对冰晶生长的影响.结果表明:冰晶生长速度随过冷度增加而增加,且与过冷度变化呈线性关系.当无量纲过冷度小于0.85时,枝晶仅有少量分枝,且枝干较细.当无量纲过冷度大于0.85时,冰晶出现二级以上的多级分枝,且枝干明显变粗.当无量纲过冷度达到1.0时,分枝受到主枝挤压而减少,晶核之间最终被填满.     

落管中Al-Ge亚共晶合金的快速枝晶生长

采用落管无容器处理技术研究了Al-45%Ge亚共晶合金在无容器条件下的深过冷与快速枝晶生长.自由落体过程中液滴达到的过冷度范围为13～201K,最大过冷度达0.27T L .发现初生(Al)相的生长形态随着过冷度的增大由柱状枝晶向等轴枝晶转变.根据快速枝晶生长理论对初生(Al)相的枝晶生长速度进行了计算,结果表明初生(Al)相的生长始终受溶质扩散控制,没有发生从溶质扩散控制生长向热扩散控制生长的转变.     

枝晶生长过程的相场方法模拟研究

采用相场方法对金属枝晶的生长过程进行数值模拟。用凝固相场方程描述过冷条件下枝晶生长的物理过程,同时在相场方程中耦合温度场方程以体现凝固过程中释放的潜热对相变的影响。采用有限差分法进行求解,讨论了松弛时间、方向角、界面宽度、熔点、各向异性、潜热等因素对枝晶的形状和生长的影响。结果表明,随着松弛时间、界面宽度和熔点的逐渐增加,晶体的生长速率也在逐渐增加,并且枝晶越来越发达。     

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.     

改进的聚合物结晶相场模型及数值模拟

聚合物结晶已有的相场模型中包含了许多缺乏实际物理意义的参数,通过调整参数的取值虽然可以得到与实验相一致的结果,但与实验结果的条件无法对应。建立了新的相场模型,不需要调整界面厚度、噪声、模型等缺乏物理意义的参数取值,仅通过调整潜热就可以模拟出等规聚苯乙烯结晶的各种形态,如：枝晶、球晶、片晶等。使用有限差分法对该模型进行了求解,再使用Tecplot软件对数据可视化,得到了与实验相一致的结果。     

相场法在凝固数值模拟中的应用

研究了相场方法在纯物质凝固生长过程中计算模拟的应用．通过选取不同过冷度和各向异性系数进行纯物质镍的技晶生长模拟,最后采用加入非平衡扰动的方式,进行了侧向分技生长的模拟．模拟结果表明,模拟中过冷度和各向异性强度需要耦合考虑;非平衡扰动在模拟中不影响尖端生长速度．     

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。     

三元Fe-Sn-Ge和Cu-Pb-Ge偏晶合金相分离与快速凝固研究

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法研究了三元Fe-43.9%Sn-10%Ge和Cu-35.5%Pb-5%Ge偏晶合金的相分离与枝晶生长特征, 实验中分别获得了245和257 K的最大过冷度. 两种合金熔体均发生液相分离, 快速凝固组织呈现出显著的宏观偏析. X射线衍射分析表明, Fe-43.9%Sn-10%Ge合金的凝固 组织由α-Fe 和(Sn)固溶体以及 FeSn 和 FeSn₂金属间化合物等四相组成, 而Cu-35.5%Pb-5%Ge合金的凝固组织由(Cu)和(Pb)两相组成. 在快速偏晶凝固过程中, α-Fe 和(Cu)相均以枝晶方式生长, 并且深过冷条件下皆发生了“枝晶®偏晶胞”转变. 实验发现, α-Fe 和(Cu)相的枝晶生长速度都随过冷度的增大呈现出指数函数变化规律.