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相场法模拟强迫层流对凝固微观组织的影响

作　者: 王军伟
导　师: 王智平
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 凝固微观组织相场法强迫层流计算机模拟
分类号: TG111.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 43次
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内容摘要

凝固过程中,过冷熔体强迫层流影响热量传输、质量传输和动量传输过程。为了更客观地再现凝固微观组织演化过程,研究强迫层流对枝晶凝固过程的影响机制。采用相场法,将描述枝晶生长过程的纯扩散相场模型(Phase Field Model)与可高效求解流动方程的自适应压力迭代修正Sola算法结合,建立了描述过冷熔体强迫层流对非等温凝固过程微观组织演化影响的新模型:Sola-Phase Field Model(S-PFM)。基于新建立的S-PFM模型,以高纯丁二腈为模拟对象,考虑了结晶潜热和热扰动影响因素,研究了非等温条件下过冷熔体强迫层流对单个枝晶形貌和温度场的影响。分析了强迫层流速度对迎流方向、逆流方向、和垂直流动方向枝晶(后文简称:垂流方向枝晶)尖端生长速度的影响,模拟结果表明,熔体流动打破了等轴晶形貌对称性;与熔体无流动相比,迎流方向枝晶尖端生长速度增大,枝晶尖端曲率半径也增大。而且,熔体流入速度越大,迎流方向枝晶尖端生长速度越大,并且,模拟区域单个枝晶固相率越高。逆流方向枝晶尖端生长速度不稳定,当熔体流动速度增大或枝晶尺寸变得足够大时,在枝晶下游方向出现漩涡。基于S-PFM模型,采用自行设计的随机格子法,模拟对比了熔体强迫层流对多个枝晶生长的影响。模拟结果表明,S-PFM模型与随机格子法结合,可以有效地模拟强迫层流对多晶粒生长过程的影响;对比熔体有流动和无流动时候的枝晶形貌发现,熔体有流动时候,二次枝晶臂向上游方向呈现“一边倒”的生长趋势。并且,固相率较低时,固相率与熔体层流流入速度成正比;固相率较高时,其固相率逐渐和熔体无流动时候的固相率相等。最后,将本文模拟结果和结论跟国际同行研究者的成果作了对比。结果表明,采用S-PFM模型模拟结果与国内外研究结果吻合,此模型可以比较客观地描述过冷熔体强迫层流对凝固过程微观组织的影响。本研究在理论上有助于更深刻地理解凝固微观机制;在工程上,为开发凝固宏-微观耦合模拟软件奠定理论基础,具有潜在实用价值。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
第1章绪论  9-21
  1.1 课题研究背景与意义  9-10
  1.2 凝固微观组织模拟常用方法  10-11
  1.3 流体相关内容  11-16
    1.3.1 计算流体力学理论基础  11-14
    1.3.2 描述流体流动的方法  14
    1.3.3 流场计算方法  14-16
  1.4 相场法  16-20
    1.4.1 相场法理论基础  16-17
    1.4.2 国内外耦合流场的相场法研究现状  17-19
    1.4.3 实验验证  19-20
  1.5 本文主要研究内容  20-21
第2章纯扩散相场模型及流场模型  21-29
  2.1 基于自由能函数的相场模型  21-23
  2.2 流场模型  23-27
    2.2.1 Sola 算法原理  24-25
    2.2.2 Sola 算法水力学模拟算例  25-27
  2.3 本章小结  27-29
第3章耦合流场的相场模型  29-43
  3.1 耦合流场的纯物质相场模型  29-33
    3.1.1 数学模型  29-30
    3.1.2 计算流程  30-33
  3.2 稳定性条件及定解条件  33-34
    3.2.1 稳定性条件  33
    3.2.2 定解条件  33-34
  3.3 方程的离散  34-37
    3.3.1 交错网格及有限差分法  34-36
    3.3.2 相场控制方程的离散  36
    3.3.3 温度场控制方程的离散  36-37
    3.3.4 流动方程的离散  37
  3.4 源程序的编制及模拟结果可视化  37-40
    3.4.1 源程序的编制  37-40
    3.4.2 模拟结果可视化  40
  3.5 本章小结  40-43
第4章 S-PFM 模拟层流对凝固微观组织的影响  43-53
  4.1 模拟对象及模拟参数  43
  4.2 单枝晶形貌与过冷熔体流动之间的关系  43-46
    4.2.1 熔体流动对枝晶形貌的影响  43-44
    4.2.2 枝晶形貌对熔体流动的影响  44-45
    4.2.3 熔体流动对枝晶尖端生长速度的影响  45-46
  4.3 过冷熔体流入速度对单枝晶生长的影响  46-48
    4.3.1 熔体不同流入速度对枝晶形貌及温度场的影响  46
    4.3.2 熔体不同流入速度对枝晶尖端生长速度的影响  46-47
    4.3.3 熔体不同流入速度对固相率的影响  47-48
  4.4 强迫层流对随机取向多晶粒生长的影响  48-52
    4.4.1 随机格子法原理  48-49
    4.4.2 强迫层流对多晶粒枝晶形貌的影响  49-51
    4.4.3 强迫层流对多晶粒凝固固相率影响  51-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章模拟结果验证  53-57
  5.1 结果验证一：强迫流动对纯物质单枝晶形貌和温度场的影响  53-54
  5.2 结果验证二：强迫流动对纯物质多晶粒生长的影响  54-55
  5.3 本章小结  55-57
结论  57-59
参考文献  59-64
致谢  64-65
附录攻读硕士期间发表的学术论文目录  65

相场法模拟强迫层流对凝固微观组织的影响

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