基于Projection方法的铸造充型过程数值模拟

论文摘要

铸造过程的模拟仿真软件在帮助制定铸造工艺方面的作用越来越大,同时模拟仿真结果也越来越准确。但目前这类仿真软件主要是基于单相流模型的,对于实际铸造过程中气液界面前沿复杂的相互作用不能很好的预测,只能给出定性的结果。于是本文提出了用于铸造过程数值模拟的多相流动模型,可以更加精确地描述气液界面前沿的运动行为,更好地对卷气等缺陷进行预测。同时,基于本文使用的流动场控制方程求解方法和传统的界面描述方法,以单相流为模型,开发了新的铸造过程数值模拟方法。对铸造过程气液界面运动行为的准确描述是铸造过程数值模拟的前提,本文采用Level Set方法描述铸造过程的气液界面,并采用高阶精度的方法离散求解Level Set方程,同时在Level Set方法的基础上,添加了Particle算法,用于修正Level Set方法在个别存在复杂拓扑变化的流动中产生的质量不守恒现象。分别采用了三维球体在剪切流场下的运动、Zalesak球体旋转运动对所采用的界面描述方法进行了验证,另外对VOF方法也做了一些研究。采用速度场与压力场分别求解的Projection方法求解流动场控制方程,实现了求解程序的并行化,并且应用溃坝模型检验Projection方法的正确性。结合Level Set方法描述气液界面,组成了本文铸造充型过程数值模拟所采用的新的方法-Projection Level Set方法。该方法针对以往比较成熟的SOLA-VOF方法,在气液界面的求解精度上可以达到更高的要求,计算效率方面也有很大提高。为了验证Projection Level Set多相流模型铸造过程数值模拟方法的正确性,通过两个试验对比了模拟计算结果。分别是Benchmark试验和底注式水模拟试验,通过将模拟计算结果与试验结果的对比,分析求解计算程序中的缺陷,随后改进完善计算程序,提高其计算求解的稳定性。同时,应用Projection Level Set多相流模型铸造过程数值模拟方法针对具体的复杂铸件的充型过程进行了模拟计算,包括某刹车轨铸件的模拟计算和某阀盖铸件的模拟计算,检验此方法对于复杂铸件充型过程的模拟仿真能力。最后,针对传统的铸造过程数值模拟SOLA-VOF方法,利用本文流动场控制方程的Projection求解方法,开发了用于铸造过程数值模拟的Projection VOF方法,并做了相关试验验证,针对具体复杂铸件铸造充型过程的模拟仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外研究与发展现状
• 1.3 主要的研究内容和目标
• 2 气液界面描述方法
• 2.1 前言
• 2.2 Level Set 方法
• 2.3 Level Set 方法数值算例
• 2.4 Particle Level Set 方法
• 2.5 Particle Level Set 方法数值算例
• 2.6 VOF 方法简介
• 2.7 本章小结
• 3 Projection 方法求解流动控制方程
• 3.1 前言
• 3.2 流动场数学模型
• 3.3 Projection 方法简介
• 3.4 控制方程的空间离散
• 3.5 Navier-Stokes 方程的求解
• 3.6 并行程序的实现
• 3.7 时间步长的确定
• 3.8 边界条件的处理
• 3.9 数值算例
• 3.10 本章小结
• 4 Projection Level Set 方法试验验证
• 4.1 前言
• 4.2 基准件试验验证
• 4.3 底注式水模拟充型试验验证
• 4.4 本章小结
• 5 Projection Level Set 方法在实际复杂铸件充型过程中的应用
• 5.1 前言
• 5.2 刹车轨铸造充型过程算例
• 5.3 阀盖铸造充型过程算例
• 5.4 本章小结
• 6 基于Projection VOF 方法的铸件充型过程模拟仿真
• 6.1 前言
• 6.2 Projection VOF 方法的试验验证
• 6.3 Projection VOF 方法在发动机缸体铸件铸造过程中的应用
• 6.4 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文