单个晶粒在熔体中的漂移行为的数值模拟研究

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1、分类号：TG244密级：UDC：621.7编号：201421803016河北工业大学硕士学位论文单个晶粒在熔体中的漂移行为的数值模拟研究论文作者：赵朝阳学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料加工工程指导教师：李日职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金项目（51475138）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsProcessingEngineeringTHENUMERICALSIM

2、ULATIONOFTHEDRIFTINGBEHAVIOROFSINGLECRYSTALINTHEMELTbyZhaoChaoyangSupervisor:Prof.LiRiMay2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51475138.摘要在铸锭和铸件的凝固过程中，大量晶粒的漂移和沉积对铸锭/铸件的成分分布和最终组织有重要影响，而晶粒漂移和沉积的研究在凝固界刚刚起步。本文采用格子玻尔兹曼-元胞自动机（LBM-C

3、A）耦合的方法对单个晶粒下降问题进行了研究。用封闭方腔内自然对流和强制对流算例对所建立的LBM模型进行了验证，计算结果表明，本文所建立的LBM模型可以很好地复现流动结果，证明了本文LBM模型的正确性。采用所建立的CA-LBM模型研究了纯铝晶粒及Al-Cu合金晶粒在熔体中的漂移下落过程，得到的研究结果如下：首先，采用LBM模型计算模拟了单个颗粒在自然对流和强制对流条件下的下落过程。在自然对流情况下，该颗粒会发生垂直向下运动，左右不发生移动；在强制对流情况下，该颗粒向下运动，同时水平方向沿流线运动。其次，采用C

4、A-LBM方法研究单个纯铝晶粒运动和生长时，发现：1）当晶粒在自然对流中保持静止时，晶粒在竖直方向上呈现非对称生长的形貌特征；2）当晶粒在自然对流中垂直下落时，晶粒在垂直方向上的非对称性生长更为显著；3）当晶粒在强制对流中垂直下落时，晶粒在竖直方向和水平方向上均呈现出非对称生长特征，且竖直方向的不对称性更为强烈。最后，采用CA-LBM方法研究单个铝铜合金晶粒运动和生长时，在自然对流中凝固初始阶段，晶粒溶质分布均匀，最后晶粒出现非对称生长的现象，而且溶质富集越来越严重；在强制对流中凝固初始阶段，晶粒溶质分布均

5、匀，最后溶质分布不均匀，枝晶上半部分溶质富集严重，枝晶下半部分溶质富集较少。关键字：自然对流强制对流元胞自动机格子玻尔兹曼漂移IABSTRACTInthesolidificationprocessofingotsandcastings,thedriftinganddepositionofalargenumberofgrainshaveanimportantinfluenceonthecompositiondistributionandthefinalmicrostructure,butthenumerica

6、lsimulationofthedriftinganddepositionhasjuststartedinthesolidificationfield.Thispaperpresentsatwo-dimensionalmodelingapproachforthesolidificationprocessofthesingledriftingdendritebycombiningthelatticeBoltzmannmodelandthecellularautomaton(LBM-CA).TheLBMmode

7、lisverifiedbythenaturalconvectionandforcedconvectioninaclosedsquarecavity.ThesimulationresultsshowthattheLBMmodelestablishedreproducestheflowresultspreferablyinthispaper.Thevalidityaboveprovesthecorrectnessofthemodel.TheCA-LBMmodelisusedtostudythedriftingp

8、rocessofpurealuminumgrainandAl-Cualloygrain,andtheresultsareasfollows.Firstly,theLBMmodelisusedtosimulatethefallingprocessofsingleparticleundernaturalconvectionandforcedconvection.Thesingleparticlefallsvertic