基于三维LBM-CA模型模拟Al-4.7%Cu合金的枝晶形貌和成分分布

建立了三维格子玻尔兹曼方法(LBM)-元胞自动机(CA)耦合数值模型,并用该模型模拟研究了Al-4.7%Cu(质量分数)固溶体合金的凝固过程。该耦合模型采用元胞自动机方法模拟枝晶的生长,同时采用基于分子动力学理论的格子玻尔兹曼方法模拟合金凝固过程中的温度场、流场以及溶质场。模拟结果再现了合金凝固过程中的三维枝晶形貌变化以及溶质富集过程,并将三维流场因素考虑进去,定量研究了自然对流、过冷度对单枝晶形貌和成分分布的影响。研究表明,在纯扩散条件下,枝晶呈现对称的生长现象,模拟自由枝晶稳态生长的尖端速度、尖端半径和过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz(LGK)理论模型吻合得较好。在自然对流条件下,枝晶的生长形貌呈现不对称性,即枝晶生长在迎流方向上得到了促进,在顺流方向上受到了抑制。熔体过冷度对枝晶生长的影响较大,过冷度的增加导致枝晶生长加快,二次枝晶增多且呈现出粗化现象,枝晶尖端固液界面处的溶质浓度偏高,加重了溶质偏析。     

液氢中固空沉积形式的试验研究

采用向小型液氢可视杜瓦通入定量配比空气的方法,模拟液氢贮存系统受空气污染情况。通过高清摄像设备,得到了固空在液氢中沉积的视频资料。在升温过程中,测量逸出气体中的氧氮浓度,根据不同温度下所测的浓度值绘制氧氮在液氢贮存系统的升温曲线图,从而可得固空中氧氮的分布。     

卧式液氢贮罐内温度分层数值模拟

实验采用CFD技术,通过对静置卧式液氢贮罐内部物理场数值模拟,揭示了卧式贮罐内部温度场、速度场的分布规律以及气枕压力变化情况,分析了液氢温度分层形成的过程及原因。研究表明,卧式贮罐内液氢区域的传热方式为自然对流,自然对流边界层覆盖整个与液氢接触的贮罐壁面。在贮罐竖直方向上存在温度分层,液氢温度分布近似于高斯概率曲线。贮罐内部流动是一个不稳定状态,涡旋的位置也在不断变化。静置卧式液氢贮罐自生增压现象较为明显,压力增长曲线为非线性。     

对流影响枝晶生长的相场法模拟研究进展

液态金属的对流和枝晶生长的相互作用在凝固模型中是非常重要的,因为铸造和焊接过程常伴随有自然或强迫对流。综述了耦合对流时相场的数学模型、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用和进展,指出了该领域目前面临的问题和未来发展趋势。     

强磁场下Cu-50%Ag合金定向凝固过程中的组织及固液界面形貌演变

目的 研究强磁场下Cu-50%(质量分数)Ag合金定向凝固过程中的组织演变、固液界面形貌变化及溶质迁移行为,分析强磁场对金属凝固过程的作用机制,为强磁场下的金属材料制备提供理论借鉴和指导。方法 在不同的凝固速率与磁场条件下进行定向凝固和淬火实验,对合金的定向凝固组织、糊状区与固液界面形貌以及溶质分布行为进行考察。结果 强磁场破坏了凝固组织的定向生长,使凝固组织转变为枝晶与等轴晶共存的形貌;强磁场诱发了熔体对流,减少了糊状区中溶质的含量;强磁场改变了固液界面处的溶质分布和固液界面形貌,破坏了固液界面的稳定性。结论 强磁场通过洛伦兹力和热电磁力的共同作用,诱发了糊状区内液相的纵向环流,改变了固液界面及糊状区中的组织形貌与元素分布。     

Al-4%Cu凝固过程枝晶生长的数值模拟

改进了模拟枝晶生长常用的二维元胞自动机和有限差分(CA-FD)模型,新模型引入扰动函数来控制二、三次枝晶的生长;在枝晶生长过程中,将溶质浓度明确地分为液相溶质浓度和固相溶质浓度两部分;并在溶质再分配与扩散过程中采用八邻位差分以减少网格形状导致溶质扩散的各向异性。模拟了Al-4%Cu二元合金过冷熔体中,单个和多个等轴晶沿不同择优方向生长及单方向和多方向柱状树枝晶竞争生长过程中的枝晶形貌、液相溶质浓度和固相溶质浓度分布情况。模拟结果表明:扰动的引入能够促使枝晶产生分支,并控制二、三次枝晶的生长速率;液/固相溶质计算模型能够准确地模拟出枝晶生长过程中液/固相溶质分布;此外改进后的模型实现了枝晶沿任意方向的竞争生长。     

高温合金定向凝固过程中枝晶生长与溶质对流数值模拟

目的 针对高温合金叶片在定向凝固过程中容易出现雀斑缺陷,从而导致叶片报废的问题,对定向凝固枝晶生长与溶质对流进行模拟研究,以揭示雀斑缺陷的形成规律。方法 针对CM247LC合金定向凝固过程,采用相场模型模拟凝固过程枝晶生长,采用格子Boltzmann模型模拟溶质浓度差引起的自然对流。采用基于双重网格的GPU并行算法对相场-格子Boltzmann模型进行数值求解。研究在不同晶体取向角度与取向差条件下的枝晶形貌、对流速度及溶质羽流的演变规律。结果 当晶体取向角度不同时,在枝晶生长过程中,液相区域的平均对流速度均表现为周期性变化。当晶体取向角度较大时,随着晶体取向角度的变大,一次枝晶臂间距变大。当枝晶间存在晶体取向差时,溶质羽流倾向于在发散型晶界附近发起;随着晶体取向差的增大,溶质羽流发起时间提前。溶质羽流的形成阻碍了枝晶尖端及附近枝晶侧臂的生长。结论 晶体取向角度对溶质羽流形成的影响较小,较大的晶体取向差对溶质羽流的形成有促进作用。     

溶质对流对SCN-5%ETH模拟合金垂直向上生长的影响

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-5%ETH(succinonitrile-wt%ethanol,wt%表示质量分数)模拟合金的垂直向上生长过程。实验结果与水平定向生长的SCN-5%ETH模拟合金的胞晶组织,枝晶组织以及枝晶间距比较发现,胞晶垂直向上生长引起的溶质对流减小了胞晶的尖端半径,使胞晶组织呈现尖端尖细的形态;枝晶垂直向上生长时,二次枝晶臂生长速度减小,枝晶一次间距和二次臂长度也减小,并且减小幅度随着界面推移速度的增大而减小,枝晶二次间距和水平定向生长时相比有较小幅度的增大。     

基于仲氢转化的液氢储存过程分析

应用仲氢转化制冷技术,针对液氢无损储存过程,建立液氢储罐中仲氢转化的物理模型,进行液氢储存的流场温度场仿真,研究仲氢转化对液氢储存的影响。分析结果表明,储罐内的液氢经过仲氢转化器后,温度降低,密度增大,有助于罐内液氢自然对流循环的完成。     

对流对枝晶生长影响的数值模拟研究进展

介绍了对流影响枝晶生长的主要数值模拟方法,评述了对流对枝晶生长影响的数值在模拟国内外的研究现状,指出了该领域目前面临的问题和未来的发展趋势.     

对流扩散-多相相变体系内柱状晶/等轴晶形成过程的数值模拟

采用扩散支配相变动力学方法对Fe-Bi-Mn系易切削合金侧向快速凝固过程进行数值研究。建立对流扩散-多相相变体系三维凝固模型,考虑固、液、气三相扩散流动相变对合金凝固的影响,模拟研究合金中MnS和Bi(易切削相)的柱状晶/等轴晶形成过程。结果表明:合金凝固过程中MnS和Bi的柱状晶/等轴晶形成模式强烈受对流扩散和多相相变影响;对流扩散为正值处,溶质的多相质量相变速率较大且富集程度较低,流动稳定易形成柱状晶;对流扩散为负值处,溶质的多相质量相变速率较小且富集程度较高,当晶尖处溶质富集到一定程度,对流扩散与多相相变产生的紊流使柱状晶尖端断裂,成为等轴晶形核中心,此处为等轴晶稳定形成区域。     

等轴晶移动对宏观偏析影响的数值模拟

建立了自由等轴晶移动对宏观偏析影响的数学模型,对铸锭凝固过程中的对流和溶质分布进行了数值模拟.在模型中按照临界固相分数将糊状区分为紧密树枝晶和自由等轴晶两个不同的区域.对带冒口铸钢锭的宏观偏析进行了数值模拟,并同实验结果进行了比较.与假设糊状区内固相静止的模型相比,考虑等轴晶移动的模型得到的溶质分布结果与实验结果更接近.在凝固过程中,等轴晶随液体流动并在铸锭的底部中心聚集,在凝固后的铸锭中形成锥形的负偏析.还发现,在铸锭的中心靠上的区域形成正偏析,在铸锭的外部区域形成负偏析.     

水滴在真空室内结晶过程的模拟

模拟真空室内水滴结晶过程是模拟真空雾化法制备冰浆系统的第一步。模拟了液滴在真空室内从较高的温度降温到零度,之后到一定的过冷度,然后发生相变为液-固两相,到最后为全部固相的整个过程。在该过程中热质传递迅速发生,模拟结果表明蒸发或者升华控制了整个过程。以扩散模型和以对流模型所得到的结果都与实验结果在一定程度上吻合,这是因为通过对流或者导热所传递的热量比相变潜热要小几个数量级。在整个结晶过程中液滴温度的变化表明:液固相变要占据较长的时间,是一个更为重要的过程。考虑重力、浮力和粘滞力的影响给出了液滴在结晶过程中的运动方程。从该模型计算出的液滴结晶过程中下降距离比仅考虑重力作用下给出的要准确。研究结果为更好的设计真空闪蒸室提供了理论依据和参考。     

垂直布里奇曼法CdZnTe晶体生长过程的数值分析

模拟计算了半导体材料CdZnTe布里奇曼法单晶体生长过程，分析了熔体的过热温度、坩埚侧面强化换热以及坩埚加速旋转(ACRT)等因素对结晶界面的形态和晶体组分偏析的影响。结果表明：当熔体的过热温度减小时，熔体中自然对流的强度显著降低，固液界面的凹陷深度有所增加，晶体的轴向等浓度区显著加长，而晶体组分的径向偏析明显增大，坩埚的侧面强化换热增加了自然对流强度，也增大了固液界面的凹陷，但是对溶质成分的偏析影响较小，坩埚加速旋转引起的强迫对流强度远大于自然对流，显著增大了固液界面的凹陷，使熔体中的溶质分布成为均一的浓度场，显著减小了晶体组分的径向偏析，增加了晶体组分的轴向偏析。     

基于LBM-CA的六角冰晶非平衡生长模拟研究北大核心CSCD

为了研究六角冰晶生长的微观机理,进行了模拟计算,基于GPU加速,建立二维格子玻尔兹曼-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton,LBM-CA)模型,对六角冰晶微观演化过程进行模拟研究。模拟过程中采用CA模拟枝晶的生长,采用LBM模拟热传输现象,探究不同初始过冷度、温度梯度、冷却速率对冰晶生长速率、形貌、冰晶尺寸的影响。结果表明:在较小过冷度时,枝晶生长速率随过冷度增大而增大,与过冷度呈近似线性关系,模拟结果与LMK临界稳定性理论吻合;在一定的温度梯度下,正温度梯度方向的枝晶生长受抑制,负温度梯度方向生长受促进;冷却速率越大,冰晶的尺寸越大。     

重力对Sn-20%Ni合金的初生相形态和包晶反应的影响

使用高度为50 m的落管研究了Sn-20%(质量分数) Ni包晶合金在重力和微重力作用下的凝固行为。用金相显微镜(OM)观察了合金的凝固组织并使用图像处理软件IPP(Image Pro Plus)统计了样品中的初生相、包晶相以及终凝相的含量,使用能谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD)仪分析了样品凝固组织中的成分分布和组成相。结果表明,Sn-20%Ni包晶合金的凝固以初生相在固液界面前沿形核、枝晶生长和包晶反应的形式进行,重力对初生相的生成和包晶反应都有显著的影响,在微重力作用下的微观组织配比、分布以及合金元素的分布都与在重力作用下明显不同。在重力的作用下残余初生相的含量和残余初生相和包晶相的总量总是比在重力作用下的低,而包晶相的含量则总是比在微重力作用下的高。同时,样品中溶质元素的分布与残余初生相和包晶相的总量的分布趋势基本一致。结果表明,微重力环境有利于Sn-20%Ni合金初生相的形核和长大,而重力环境则促进包晶反应,其原因与重力导致的浮力对流和晶核沉积有关。     

溶质表面张力对流模型及其对空间实验的解析

空间高温实时观察装置（SHITISOI）被用于观察和记录在Li₂B₄O₇溶体中KNbO₃胞状结晶的整个生长过程,并对胞状结晶生长过程中浮力对流和表面张力对流的影响进行了研究．首次观察到空间条件下,Li₂B₄O₇溶体中稳态表面张力对流图像,它呈镜面对称的抛物线状．由于表面张力对流的作用,KNbO₃胞晶生长且充满了整个的溶体．而在地面上,由于浮力抑制表面张力,降低了胞晶在流体中的生长速度,使溶质KNbO₃胞晶在Li₂B₄O₇溶体中分布不均匀,本文还提出了胞状结晶生长理论的模型．这个模型的主要特点是表面张力对流起始于KNbO₃胞晶的界面上;这是由于KNbO₃溶质扩散速率减少而引起的KNbO₃溶质表面张力梯度．本模型的预言和实验所观察的现象吻合得比较好,这说明该理论模型是合理、可靠的．     

ACRT技术对大尺寸ZnTe晶体溶液法制备及其性能影响

太赫兹(Terahertz,THz)技术在工业无损检测、科学研究和军事领域发挥着越来越重要的作用。作为太赫兹产生和探测最常用的电光晶体材料,ZnTe晶体在生长中依然面临众多挑战。为了制备大尺寸、均匀性好、高性能的ZnTe单晶,本研究在温度梯度溶液法生长ZnTe晶体过程中引入坩埚旋转加速技术,制备具有高结晶质量的ZnTe晶体。模拟计算得到不同坩埚旋转速度下生长界面处对流场和溶质分布,研究了坩埚旋转对晶体生长过程中的固液界面稳定性和晶体内Te夹杂分布的影响规律,证明坩埚旋转加速技术可以有效地促进熔体流动,改善溶质传质能力,稳定溶液法晶体生长的固液界面,不仅避免出现尾部混合相区,也减少了ZnTe晶体内Te夹杂相的数量并减小其尺寸。通过进一步优化坩埚旋转参数,制备出具有较高结晶质量的大尺寸ZnTe晶体(?60 mm)。同时,得益于晶体良好的均匀性,晶体对太赫兹的高响应区域超过90%,边缘效应小,满足太赫兹成像要求。研究表明,引入坩埚旋转加速技术为制备大尺寸ZnTe基电光晶体提供了新的思路。     

微重力条件下熔体中对流过程的数值模拟

微重力条件下生长优质晶体遇到的最大问题是要控制晶体生长的条件，抑制由于重大的减弱而引起的熔体中的热毛细时流。但是，用实验来解决这些问题费用高，周期也长，而且有时完全用实验来模拟也是很困难的。用数值计算方法来模拟微重力条件下熔体中的对流过程是空间晶体生长研究的一个重要的方向，计算结果对控制空间生长晶体和抑制熔体中的对流有指导意义。对微重力条件下熔体中对流发生、发展的过程进行了数值研究。以有限差分法研究了沿上表面为自由表面的水平区域不同边界条件下的熔体中的对流过程。     

固液相变蓄能的数学模型和自然对流换热系数的实验研究

引入自然对流换热系数 ,将固液蓄能数学模型简化为仅用能量方程加以描述。并通过实验测得相变过程的实际温度场 ,证明了自然对流固液相变换热的影响不可忽略 ,验证了固液相变界面移动速率随自然对流换热系数的增大而增大的定性关系