基于元胞自動(dòng)機(jī)-格子玻爾茲曼模型的枝晶碰撞行為模擬*

張士杰 王穎明 王琦 李晨宇 李日

(河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300401)

合金凝固過程中,游離枝晶在熔體中的運(yùn)動(dòng)行為是研究合金凝固組織形成過程的關(guān)鍵問題之一.元胞自動(dòng)機(jī)-格子玻爾茲曼耦合模型是近年來進(jìn)行凝固微觀組織數(shù)值模擬的主要數(shù)值模型.本文改進(jìn)了模擬枝晶生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)和格子玻爾茲曼模型,使其能夠模擬過冷熔體中等軸晶的運(yùn)動(dòng)行為.改進(jìn)的模型采用伽利略不變的動(dòng)量交換法計(jì)算流體力,通過求解質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算枝晶的運(yùn)動(dòng)位移,并通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)枝晶的運(yùn)動(dòng),運(yùn)用硬球模型處理枝晶的碰撞.采用該模型模擬了Al-4.7%Cu 合金過冷熔體中單枝晶的沉降、牛頓流體中兩圓形粒子的沉降和兩枝晶的彈性碰撞.模擬結(jié)果表明,本模型在計(jì)算枝晶生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)過程時(shí)可以很好地維持枝晶的形貌.采用本模型計(jì)算等軸枝晶的碰撞過程表明,枝晶的運(yùn)動(dòng)會(huì)擾動(dòng)其周圍的熔體,造成周圍熔體濃度顯著變化,進(jìn)而影響枝晶的生長(zhǎng),加劇枝晶生長(zhǎng)的不對(duì)稱性.

1 引言

合金凝固過程中,鑄型壁面的表層細(xì)晶粒可能會(huì)脫落,已經(jīng)凝固的枝晶臂(特別是二次枝晶臂)也可能發(fā)生熔斷現(xiàn)象,再加上在熔體中隨機(jī)出現(xiàn)的數(shù)量可觀的自由等軸晶,所以在液相區(qū)會(huì)出現(xiàn)大量游離的等軸晶,這些游離的等軸晶在重力和對(duì)流的推動(dòng)下在合金熔體中運(yùn)動(dòng)(平移和旋轉(zhuǎn)),且常常會(huì)發(fā)生碰撞現(xiàn)象[1].熔體中游離枝晶的……