自然对流下合金凝固过程的LBM-CA模拟研究

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1、分类号：TG244密级：公开UDC：621.7编号：201431804037河北工业大学硕士学位论文自然对流下合金凝固过程的LBM-CA模拟研究论文作者：杨莹莹学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：李日职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金（51475138）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringNUMERICALSIMULA

2、TIONOFSOLIDIFICATIONPROCESSOFALLOYUNDERNATURALCONVECTIONBASEDONLATTICEBOLTZMANN-CELLULARAUTOMATAMODELbyYangYingyingSupervisor:Prof.LiRiMay2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51475138.摘要自然对流对合金凝固过程的影响是当前凝固领域数值模拟研究的前沿问题

3、。本论文通过建立格子玻尔兹曼-元胞自动机（LBM-CA）模型，将单相固溶体合金凝固过程的流场、温度场以及溶质场与微观组织的形成耦合起来，研究自然对流作用下的合金凝固过程。所完成的主要研究内容有：首先建立了LBM-CA模型，能够计算单相固溶体合金凝固过程的流场、温度场、溶质场及微观组织的形成过程。并采用两种方案对所建立的模型进行正确性验证：（1）计算封闭方腔自然对流经典算例，证明了本模型中的LBM模块计算流场的正确性；（2）计算单枝晶在自然对流条件下的生长过程，将数值解分别与Kurz的边界层理论溶

4、质浓度、枝晶尖端速度的LGK解析解进行对比，验证了本模型的正确性。在上述基础上，首先应用本模型对自然对流条件下四个晶粒包围一个晶粒以及全域等轴晶凝固过程特征进行了计算研究。计算结果表明，对于少量晶粒，自然对流显著改变了枝晶形貌，迎流处枝晶生长优于顺流处；对于大量晶粒，自然对流起到了均匀化溶质的作用。接着，应用本模型对有、无对流作用下的铸锭CET（柱状晶-等轴晶转化）过程进行了模拟研究。再现了柱状晶向等轴晶的转变过程，对比分析了自然对流对CET转化和晶粒组织的影响，以及凝固过程中自然对流强度的变化

5、。结果表明：（1）自然对流使CET转化位置提前，并有细化晶粒的作用，另外自然对流的强度变化是先增大后减小，直至消失。（2）自然对流促使铸锭中心区域大量晶核同时形成，而非逐层形成。（3）与不考虑自然对流的铸锭温度场相比较，自然对流显著改变了温度场的分布形态，这将会促进当前凝固数值模拟商品化软件温度场计算方法的升级和进步。将微观组织与实验结果进行对比，发现模拟形貌和成分偏析与实验结果较符合。最后，应用本模型研究了凝固过程的枝晶重熔现象，发现多次重熔具有抑制柱状晶生长，使等轴晶增值并细化的作用。关键字

6、：单相固溶体合金凝固过程自然对流LBM-CA模型枝晶重熔IABSTRACTTheeffectofnaturalconvectiononthesolidificationprocessofalloysisafrontierissueincurrentnumericalsimulationofsolidificationfield.Inthispaper,thelatticeBoltzmann-cellularautomaton(LBM-CA)modelisestablishedtostudythe

7、single-phasesolidsolutionalloy’ssolidificationprocessthroughcouplingtheflowfield,temperaturefield,solutefieldwithmicrostructure.Themainresearchcontentsareasfollows:TheLBM-CAmodelwasestablishedtocalculatetheflowfield,temperaturefield,solutefieldandmic

8、rostructureofsinglephasesolidsolution.Thecorrectnessofthemodelisverifiedbytwoschemes:(1)TheclassicalexampleofthenaturalconvectionintheclosedcavitywascalculatedtoprovethecorrectnessoftheflowfieldbytheLBMmodel;(2)Thegrowthprocessofsingledendriteunderna