枝晶和氣孔演化規(guī)律的格子Boltzmann方法數(shù)值模擬.pdf

1、金屬凝固過程中，枝晶和氣孔形貌是影響材料宏觀性能的一個重要因素，但實驗和理論研究都存在一定的局限性。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)研究金屬凝固過程是目前材料科學(xué)和制造科學(xué)發(fā)展的重要前沿領(lǐng)域之一。本論文針對凝固過程中枝晶和凝固界面等顯微組織和氣孔演化過程開展模擬研究，并進行透明合金驗證實驗，完成的主要工作如下:
　　 自行研制透明材料定向凝固過程的實時觀察裝置。該裝置可精確地控制溫度梯度和凝固速度，清晰地觀察透明材料

2、定向凝固過程中凝固界面和枝晶的生長，氣泡形成與演化過程。
　　 基于Shan-Chen多相流格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method，LBM)模型，采用考慮次鄰近網(wǎng)格影響和不同時間步長的方法，建立了大密度比的LBM模型，與模擬枝晶生長的元胞自動機(Cellular Automaton，CA)方法，模擬溫度場和濃度場的有限差分(Finite Difference Method，F(xiàn)DM)方法耦合，

3、建立了耦合的LBM-CA-FDM模型。應(yīng)用大密度比LBM模型模擬了單氣泡的生長并測試了氣液界面的虛速度，表明本文建立的LBM模型可以穩(wěn)定地模擬密度比達800以上的兩相流。隨后，通過Laplace定理和氣-液-固三相之間的潤濕性模擬對大密度比LBM模型進行驗證。
　　 采用大密度比LBM-CA-FDM耦合模型對定向凝固時凝固前沿和氣泡的相互作用進行了模擬。結(jié)果表明，絕熱氣泡的存在影響了溫度場，導(dǎo)致凝固前沿向著氣泡方向凸起。隨凝固速

4、度從高到低變化，凝固界面與氣泡的相互作用變化趨勢為:固相吞沒氣泡、固相和氣泡競爭生長而形成葫蘆狀氣孔形貌、氣泡被凝固前沿推開。在適當(dāng)?shù)哪趟俣认拢瑲馀菖c凝固前沿協(xié)同生長，形成長條狀氣孔。
　　 模擬研究了不同位置和大小的氣孔對枝晶生長形貌的影響。結(jié)果表明，當(dāng)氣孔出現(xiàn)在兩枝晶間時，氣孔對枝晶生長和排列影響最小。當(dāng)氣泡出現(xiàn)在枝晶側(cè)邊時，氣泡對枝晶生長和排列的影響最為明顯。隨氣泡的增大，其對枝晶生長和排列的擾動明顯增大。氣-液界面張力