基于OpenCL并行的挡板对珠光体生长的相场法模拟

建立了耦合相场和溶质场的KKSO模型,采用OpenCL并行计算模拟了Fe-C合金共析生长过程,研究了不同形状和不同位置的挡板对层片状珠光体协同生长的影响.结果表明:GPU计算效率相对于串行CPU,最高可达88倍的加速比,并且随着模拟规模的增大,GPU的加速性能越高;挡板的存在直接影响珠光体的形貌演化,其使挡板下方的珠光...     

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.     

强迫对流下共晶组织生长的相场法模拟

基于三维共晶生长多相场模型与计算流体的LBM模型耦合,建立了相场-格子波尔兹曼模型(PF-LBM),以CBr4-C2Cl6合金为实例,模拟强迫对流下共晶微观组织的演化过程.结果表明:液态熔体流动会改变层片共晶的生长形貌,由垂直于固液界面对称、周期交替生长转变为倾斜于逆流方向生长,同时单个层片界面前沿出现由于间距调整而引起的异相形核现象.液体流动会使共晶组织生长速度加快;流动会改变共晶层片随层片间距增大而变化的生长模式,无流场时,共晶层片生长形貌变化模式为:稳态生长→低幅高对称性震荡→高幅低对称性震荡→棒状;强迫对流下,其层片生长变化模式为:稳态倾斜生长→层片前沿形核分叉→振荡态倾斜生长.     

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.     

强迫对流影响枝晶生长的三维相场法模拟

将计算流体的三维模型与模拟枝晶生长的三维相场模型进行耦合,建立强迫对流环境下枝晶等温生长的三维PF-LBM模型,以Al-Cu合金为例研究液态金属流动时枝晶的生长行为、不同流速下枝晶的生长行为并在相同模拟参数条件下将三维模拟与二维模拟进行对比.结果表明:液态金属的流动显著改变了三维枝晶原有的对称生长形貌.不同流速下枝晶的生长形貌和溶质场分布不同,流动速度越大,迎流方向主枝晶越粗,逆流方向主枝晶越细.流动速度对尖端曲率半径的影响大于对尖端生长速度的影响,大的流动速度对逆流方向枝晶的影响比对迎流方向枝晶影响严重.三维模拟中液态金属的流动状况比二维模拟中复杂;相同模拟参数下三维模拟中液态金属的流动对枝晶生长的影响比二维模拟中影响大.     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

Ni-Cu合金定向凝固海藻状生长形态的相场法模拟

利用微观组织相场法数值模拟技术,对Ni-Cu二元合金在温度梯度G=20K/cm条件下定向凝固的界面形态演化过程进行模拟仿真.基于均匀网格的有限差分法,采用C语言编制定向凝固晶体生长的相场法数值模拟程序,研究计算参数对凝固组织的影响,探讨定向凝固过程晶体的生长机制.研究结果表明:低的温度梯度条件下,初始平界面一旦失稳,快速形成胞状组织,在随后的演化过程中,侧向分支大量繁殖、尖端分裂,形成海藻状生长形态.因此,低温度梯度下二元合金定向凝固界面形态的转化形式为:平面状向胞状转变,最后转变为海藻状.     

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.     

自适应有限元法对合金定向倾斜枝晶生长的相场法模拟

建立了合金定向倾斜枝晶生长的相场模型,采用非均匀网格的自适应有限元法求解薄界面层厚度条件下的相场模型,研究了Al-Cu(w(Cu)=4％)合金的倾斜枝晶演化过程,定量分析了冷却速率、主晶间距对凝固组织的影响.结果表明:冷却速率、主晶间距和抽拉速度可以控制倾斜枝晶的生长角度,随着冷却速率的增加,枝晶的生长会偏离择优取角向...     

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。     

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.     

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。     

相场法模拟中取向与热扩散参数对Ni-Sn合金枝晶形貌的影响

利用相场模型与温度场进行耦合的控制方程来模拟Ni-Sn二元合金凝固过程中的枝晶生长情况。依据热力学定律、自由能泛函与熵泛函原理,建立Ni-Sn合金相场和温度场耦合的模型。用相场法模拟合金在非均匀温度下枝晶生长过程和枝晶生长形貌的情况。对形成的图像进行对比,研究各向异性强度参数与热扩散参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。模拟研究表明：在非均匀温度场下,当各向异性强度参数增大时,枝晶的生长速度会随之增大,并且二次支臂的生长数量也会增加。此外,当热扩散参数增大时,枝晶的生长速度会随之减小,枝晶主干变细,并且二次支臂的生长数量会有明显减少。     

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.     

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．     

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.     

三元合金等温凝固过程的相场法模拟

采用相场与浓度场耦合的相场法,以Fe-C-P合金为例,模拟三元合金等温凝固的生长过程.结果表明,在一定的温度区间里,生长速度是随着温度的降低而减小的,随着温度的降低,二次枝晶生长越发达.模拟结果还表明,二次枝晶之间有大量的溶质富集;各向异性系数的改变会影响二次枝晶的形貌.     

相场法模拟第二相颗粒对柱状晶定向生长的影响

[目的]第二相颗粒的存在能影响晶粒的长大,提高材料的力学性能,因而我们用计算机模拟了含第二相颗粒的镍基合金材料在再结晶后的定向退火过程中的柱状晶生长。[方法]在相场法的基础上引入一个温度控制晶界运动的二维平面退火模型,使用该模型对含第二相颗粒的样品进行定向退火处理,观察退火过程中组织形貌的变化,并从第二相颗粒的含量和位置两个方面来讨论退火过程中第二相颗粒对柱状晶组织生长的影响,通过对柱状晶长宽比的统计来反应这些变化。[结果]定向退火处理可产生柱状晶结构;弥散分布的第二相颗粒的存在不利于柱状晶生长,并且含量越高柱状晶越粗,长宽比越小。[结论]第二相颗粒位置可以改变柱状晶晶界的形成方向,间距可以影响长宽比的大小,颗粒间的横向间距和纵向间距都存在一个临界值使柱状晶的长宽比最大。