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.     

基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响.在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度.在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小.过冷度越大,液滴凝固时间越短.经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布.     

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.     

基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响。在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度。在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小。过冷度越大,液滴凝固时间越短。经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布。     

在低过冷度HPLC-6溶液中冰晶生长习性的研究

通过推广冰晶在纯水中的生长理论 ,结合冰晶的空间结构及 HPLC-6分子在冰晶表面的吸附模式 ,计算了在低过冷度条件下 ,冰晶在 HPLC-6溶液中沿 a轴和 c轴两个不同方向的生长速率 ,得到的结果与实验结果符合较好 .     

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．     

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.     

层片状珠光体生长形貌的相场法模拟

采用相场法,以共析钢为例,模拟研究了不同初始共析层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织的生长形貌,探讨了不同初始层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织生长的规律.模拟结果表明:过冷度不变时,随着初始层片间距的增大,共析层片振幅增大,共析层片生长形貌的变化是规则对称的层片状→非规则非对称形状→棒状;层片间距不变,初始过冷度在19.6~20K时,随着初始过冷度的减小,共析钢中碳原子扩散能力增大,层片间距的失稳,致使共析层片由规则状向非规则形状变化;初始过冷度在20~22K时,随着初始过冷度的增大,共析钢中碳原子的扩散能力减弱,渗碳体相前沿碳原子浓度无法使其规则对称地生长,渗碳体相向碳原子浓度高的地方生长,从而产生倾斜生长以及层片合并现象.     

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.     

深过冷Ni-P共晶合金凝固动力学分析

根据经典的形核和生长理论，通过实验分析了深过冷Ni-P共晶合金的凝固行为．实验发现，深过冷Ni-P共晶合金的凝固组织由粒状的共晶团和棒状的规则共晶所组成．随过冷度的增加，共晶团的组织逐渐细化，同时深过冷熔体晶核生长速率很大，异质形核在凝固过程中起控制性的作用．深过冷熔体的单点形核和长大现象作为特例用以描述界面的生长速率对其凝固组织的影响。     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化.薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0.2-0.3 s,冷却速度很快,冷却速度已达到100-1000℃/s,因此,在快速凝固的过程中,液体金属获得了较大的过冷度,晶核的临界半径随过冷度的增加而减小,晶粒必然细化.另外,过冷度增大,晶核形核功减小,形核几率增大,也使晶粒细化.     

双辊铸轧高速钢薄带的晶粒细化

主要介绍了W9Mo3Cr4V高速钢在双辊铸轧过程中的晶粒细化.薄带钢在铸轧过程中的冷却时间仅为0.2-0.3 s,冷却速度很快,冷却速度已达到100-1000℃/s,因此,在快速凝固的过程中,液体金属获得了较大的过冷度,晶核的临界半径随过冷度的增加而减小,晶粒必然细化.另外,过冷度增大,晶核形核功减小,形核几率增大,也使晶粒细化.     

冰晶颗粒的浮升融化过程

为了更好地理解相变浆体的流动与热质传递过程,对冰晶颗粒在水中的浮升融化过程进行了数值计算研究.计算模型考虑了多种作用力下冰晶颗粒的自由浮升过程,并通过焓-多孔介质法对颗粒浮升中伴随的融化过程进行了描述.利用该模型研究了流体与颗粒的换热温差以及颗粒内部过冷对其非均匀浮升融化过程的影响,获得了颗粒浮升融化过程中的形态变化以及涉及到的流动与传热特性.计算结果表明,冰晶颗粒内部的过冷度对颗粒的融化有极大的阻碍作用.     

深过冷Fe-30%Co合金的组织演化

采用熔融玻璃净化与循环过热相结合的方法，使原子分数Fe-30%Co合金获得了高达457K的大过冷度.系统考察了合金凝固组织随过冷度的演化规律.发现合金的凝固组织随过冷度的增大存在两次细化和一次粗化过程, 即在小过冷度范围内粗大树枝晶向粒状晶的转变和中等过冷度下局域定向枝晶的细化，而在大过冷度范围内随着亚稳枝晶核数目的增加,存在一个明显晶粒粗化的过程.     

低过冷度下抗冻糖蛋白(AFGP8)溶液中冰晶生长速率的理论模型

抗冻糖蛋白是一种具有抗冻作用的特殊生物功能蛋白质分子，可以防止低温环境中生物细胞被冻伤。通过与冰晶的某些晶面相结合，抗冻糖蛋白分子能降低冰晶的生长点温度，而对冰晶的熔点温度无明显影响。冰晶在抗冻蛋白溶液中的生长行为与冰晶在纯水中生长有明显区别。根据晶体生长理论，分析了抗冻糖蛋白溶液中冰晶基面上水分子发生固-液相转变概率与纯水中冰晶棱面上水分子发生固-液相转变概率的差异。在此基础上，结合Jackson理论并将其推广应用于抗冻糖蛋白溶液中冰晶的生长，提出了在低过冷度下抗冻糖蛋白溶液中冰晶沿c轴生长速率的理论模型，应用该理论模型的计算结果与实验数据更加符合。     

基于相场法的不同过冷度冰枝生长形态及速率模拟

针对目前实验与理论研究只给出过冷度0~20K范围内的结冰规律,远低于飞机结冰过冷度范围0~40K的问题,采用适合大过冷度结晶模拟的扩散界面相场方法,并考虑冰枝各向异性和热扰动,重点研究了过冷度20~40K范围内的冰枝生长速度、形貌和尖端半径等特征.通过分析给出了过冷度20K以上的冰枝生长速度规律,发现其斜率显著高于现有0~20K范围的结果.这是由于在过冷度20K左右尖端曲率的增大使热扩散长度出现了非线性的快速减小,从而促进了热扩散,同时尖端曲率的增大使得动力学过冷度明显增加,两者共同导致冰枝生长随过冷度加速增长.通过获得的冰生长速度规律分析飞机表面结冰溢流问题发现,在20K以上过冷度及大水含量条件下,结冰溢流距离对水含量十分敏感,在上述条件下结冰速度快和强溢流的异常结冰特征可能同时出现.     

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.     

西藏那曲一次对流云降水及云微物理数值模拟

利用中尺度数值模式(WRF)对2015年8月13日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程及云微物理特征进行了模拟.结果表明,WRF模式能够较好模拟本次对流云降水的落区、量级及其日变化等特征.本次对流云降水以冰相过程为主,冰晶粒子、雪粒子、霰粒子、云水粒子和雨水粒子由高到低依次分布,其中霰粒子含量最大.液态降水主要源于霰粒子的融化过程,暖雨过程中雨水和云水的微物理过程也对降水有一定影响.此外,位于高层的雪粒子通过冰晶的贝杰龙过程增长,之后通过碰冻过冷雨滴形成霰粒子胚胎,而霰粒子在上午依靠高层碰并雪和低层碰并过冷雨滴以及中层其本身淞附过程而增长,午后则通过中低层淞附过冷云水和碰并过冷雨滴过程增长.     

极地船换热器中海水-冰晶两相流的流动及传热特性的数值研究

为改善极地船舶在北极航行时换热器的换热以及解决管程的冰堵问题,保障船舶海水冷却系统的运行与控制,基于CFD数值模拟方法,使用欧拉-欧拉双流体模型耦合相间传热传质模型,对海水-冰晶在壳管式换热器入口直管中的流动和传热进行数值模拟,研究入口含冰率和速度对冰晶流动和传热特性的影响.结果表明,冰晶在流动过程中由于融化发生分层现象,增加入口IPF或降低速度,会出现更显著的分层现象且顶部近壁处的冰晶体积分数随之增大.此外,与单相海水传热特性相比,当速度为1.0 m/s时,冰晶会增强传热;当速度为1.5 m/s、IPF小于6%或者速度为2.0 m/s、IPF小于10%时,冰晶对海水-冰晶两相流的传热具有减弱的作用,而且这种影响随入口速度的增加而增大;IPF为20%时,传热系数达到最大值.     

YBCO超导晶体生长规律的实时原位观察研究

本文采用顶部籽晶熔渗法(TSIG)成功制备出了不同过冷度下、不同保温时间的系列YBCO单畴超导块材;同时采用原位观察的方法,借助高温摄像技术实时记录了YBCO晶体的生长过程.通过对在不同过冷度、不同保温时间YBCO晶体生长形貌的分析和研究,结果表明:YBCO晶体起始外延生长温度为1008°C,单畴生长温度窗口为988°C–1008°C;在确定的过冷度下保温时,YBCO晶体的起始生长速率很快,最大平均生长速率达到0.95 mm h-1,之后,先快速衰减,然后逐渐趋于稳定;在YBCO晶体生长温区范围内,过冷度越大,生长速率越快,晶体生长的平均速率与过冷度之间的关系可以用Ra=a(△T)b公式来描述;YBCO晶体的瞬时生长速率在0.01–0.72 mm h-1之间,具有很大的波动性,但瞬时生长速率的平均值随过冷度的增大呈线性增加.这些结果对于进一步制备高质量的YBCO块材具有重要的指导意义.