《對流枝晶生長和氣泡形成的格子Boltzmann方法模擬研究》是依託東南大學，由朱鳴芳擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：對流枝晶生長和氣泡形成的格子Boltzmann方法模擬研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：朱鳴芳
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目將基於格子Boltzmann方法(LBM)這一新的流體計算方法， 建立具有獨創性的流場/溫度場/濃度場和固/液/氣三相共存相變的耦合模型以及相應的算法。所建立的模型能對二元合金在流場作用下枝晶生長和氣泡形成演變規律進行定性和定量的數值模擬。通過模擬研究，分析合金凝固過程中的三傳現象和氣、液、固三相共存相變之間的相互作用機制。為發展流場作用下凝固顯微組織形成理論提供依據，也為微觀偏析、顯微氣孔等凝固缺陷以及多孔材料凝固組織的模擬預測建立基礎。
結題摘要
本項目建立了具有獨創性的包含流場-濃度場-溫度場和氣-液-固三相共存的LBM-CA-FDM耦合模型以及相關算法。在模型中用大密度比雙組份兩相流格子Boltzmann方法(LBM)模擬氣-液相的流動、氣泡在液相中的形成和運動，用元胞自動機(CA)方法模擬枝晶的生長，用有限差分法(FDM)計算溫度場和濃度場。對所建立的耦合模型進行了相關的理論和實驗驗證。模擬分析了凝固過程中液-固界面和氣泡運動及其相互作用。隨固相生長速度從高到低變化, 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不規則氣孔形貌、或氣泡被推離凝固前沿。隨氣-液相互作用係數增大，氣孔的體積分數增大。模擬了定向凝固時枝晶和氣泡生長。其模擬結果再現了枝晶的擇優生長、氣泡在二次枝晶臂間的優先形核位置、氣泡的長大、合併、在枝晶間受擠變形以及在液相通道中的運動等物理現象。對流場作用下枝晶生長的模擬結果表明，在強制對流和自然對流的條件下，隨流場強度和合金成分增加，流場對枝晶生長的作用更加明顯。流場可以促進枝晶生長動力學。此外，建立了CA-FDM耦合模型。在模型中用CA方法模擬枝晶和氣孔生長，用FDM模擬溶質和氫的擴散。套用建立的CA-FDM耦合模型對Al-Si二元合金的枝晶和氣孔的耦合生長規律進行了模擬研究。發現氣孔相對於枝晶的形核位置和時間不僅會影響顯微氣孔的最終形貌，也會對枝晶的生長產生影響。隨初始氫含量增加, 氣孔體積分數增大, 氣孔形核和開始生長所需的孕育期縮短, 但氣孔密度沒有明顯增加。隨冷卻速度降低,氣孔體積分數增大,最大氣孔尺寸增大，但氣孔密度呈現下降的趨勢。隨氣-液界面張力的降低，氣孔體積分數和最大氣孔半徑增大。本項目的研究結果發展和推動了LBM這一新的流體模擬技術在凝固組織模擬領域的套用。所建立的LBM-CA-FDM模型和CA-FDM模型的模擬結果能夠揭示凝固過程中枝晶生長和氣泡的析出、遷移和演化之間的相互作用物理機制，以及凝固參數對枝晶生長和氣孔形成的影響規律，為發展相關的凝固理論和實際套用中控制最佳化凝固顯微組織提供重要依據。
