流场下枝晶生长过程的元胞自动机法模拟

论文摘要

金属凝固过程中,流体流动强烈地改变了熔体中浓度场和温度场的分布,进而影响微观形核、生长过程,从而对金属的组织和性能产生重要的影响。为了更好地阐明流动对枝晶生长过程的作用规律,本文开发了元胞自动机（CA）模型,模型中将流场下枝晶尖端生长模型与可描述流场下非对称枝晶生长轮廓的偏心生长模型相结合,模拟了Al-Si二元合金在流场下的枝晶生长规律。研究表明,流场下枝晶尖端生长动力学模型体现了枝晶在流场中逆流生长最快的机制。采用CA模型对固定在熔体壁面上的多晶生长形貌进行了模拟。分析表明,增大流动强度、减小形核密度和过冷度,能促进枝晶偏向于逆流方向生长,进而增大了枝晶生长方向与形核壁面垂直方向的夹角（偏斜角）。其中,流动强度、形核密度、过冷度为影响流场下枝晶生长的内在因素,在本研究的参数取值范围内,流动强度为主控参数。由模拟得到的枝晶生长偏斜角与流动速度、凝固速率的关系符合Okano实验关联式[29]的结果。在以上工作的基础上,开发出流场中游离晶粒的迁移和碰撞长大模型,实现了对单晶粒的生长、迁移,两个晶粒的碰撞合并,粘附壁面及继续生长过程的模拟,从而为存在流动条件下预测实际合金的凝固组织形貌奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及目的
• 1.2 流场下枝晶生长现象
• 1.3 枝晶生长的数值模拟
• 1.3.1 CA方法模拟枝晶生长过程
• 1.3.2 宏观/微观耦合方式模拟枝晶生长
• 1.4 本文的研究意义及内容
• 1.4.1 本文的研究意义
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第2章 枝晶尖端生长动力学模型
• 2.1 枝晶尖端生长动力学
• 2.1.1 过冷度与超饱和度的关系
• 2.1.2 超饱和度和生长贝克烈数的关系
• 2.1.2.1 Ananth和Gill的精确解模型
• 2.1.2.2 Wang和Beckermann的模型
• 2.1.2.3 Ranz-Marshall的模型
• 2.1.2.4 Gandin的模型
• 2.1.3 界面稳定准则
• 2.2 枝晶尖端生长动力学模型的求解过程
• 2.3 枝晶尖端生长动力学计算结果与分析
• 2.3.1 E（Pv）表达式的选取
• 2.3.2 生长贝克烈数Pv与超饱和度Ω的关系
• 2.3.3 枝晶尖端生长速度v与超饱和度Ω的关系
• 2.3.4 尖端生长速度与流体流动方向和尖端生长方向夹角θ的关系
• 2.3.5 误差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 二维偏心四边形生长模型
• 3.1 二维偏心四边形生长模型
• 3.1.1 枝晶尖端生长速度
• 3.1.2 枝晶臂长度
• 3.1.3 虚拟中心坐标的计算
• 3.2 流场下单枝晶生长形貌图与结果分析
• 3.2.1 纯扩散生长条件下的枝晶形貌
• 3.2.2 流场下单枝晶生长形貌
• 3.2.2.1 温度场对流场下单晶生长形貌的影响
• 3.2.2.2 流体流动方向对流场下单晶生长形貌的影响
• 3.2.2.3 枝晶取向对流场下单晶生长形貌的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 流场下多枝晶生长过程模拟
• 4.1 计算条件
• 4.2 流场下多晶生长形貌影响因素
• 4.2.1 形核模式对枝晶生长的影响
• 4.2.2 形核密度对枝晶生长的影响
• 4.2.3 流动强度对枝晶生长的影响
• 4.2.4 冷却速率对枝晶生长的影响
• 4.2.5 凝固速率对枝晶生长的影响
• 4.3 影响参数分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 流场中晶粒的迁移及碰撞生长过程模拟
• 5.1 流场中晶粒迁移及碰撞生长模型的建立
• 5.1.1 流场中团簇的迁移速度
• 5.1.2 流场中迁移过程的位置变化
• 5.1.3 计算步骤
• 5.2 流场中晶粒迁移及碰撞生长的模拟结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历