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《多相场法数值模拟共晶凝固研究进展_朱耀产》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、专题论述特种铸造及有色合金2004年第3期*多相场法数值模拟共晶凝固研究进展西北工业大学朱耀产杨根仓王锦程赵达文于艳梅摘要阐述了多相场法模拟共晶凝固原理和研究现状。多相场模型经历了从纯物质晶粒到多元多相合金,从各向同性到各向异向,从等温模拟到非等温模拟的发展过程。并指出进一步的研究方向,认为未来将是发展包括流场、应力场以及其他场作用的共晶多相场模型。关键词:多相场法凝固过程共晶合金微观组织数值模拟中图分类号:TG21,TP311文献标识码:A文章编号:1001-2249(2004)03-0045-03作为数值模拟微观组织强有
2、力的一种工具,相场法架,成为相场法研究的一个热点。[1~3]自20世纪80年代被提出以来,应用于凝固过程的2Nestler-Wheeler广义共晶多相场模型模拟,直观地再现了复杂的微观组织演化过程,取得了显著的成果。按照序参量的物理意义,在体积相的任何位置内,共晶组织与组成相的特性和共晶两相的耦合情况系统唯一地处于单相状态,因此:相关,并受凝固条件的影响。借助多相场法数值模拟,3可以深入理解共晶组织的形成机理并预测组织的性能,k(x,y,z;t)=1(1)k=1最终实现控制铸件质量的目的。本文旨在阐述多相场假设此体系处于等温状态,即温度T为系统控制法模拟
3、二元共晶合金凝固原理,同时介绍多相场研究现参数,引入A-B合金组分A的浓度场变量c(x,y,z;状并指出进一步的研究方向。t),根据Ginzburg-Landau相变理论,系统自由能F可表示为相场向量=(1,2,3),相场梯度向量=1共晶多相场法模型分类(1,2,3)及浓度场变量c和温度T的函数:二元共晶合金凝固涉及3个相,固相、固相和液F=L(,,c,T)dV(2)v相L。低于共晶温度,固相和相同时从母相L中开3j始生长,L+。按照引入序参量形式的不同,目前共22L(,,c,T)={jk[jk(rjk
4、)]}+f(,c;T)j=1k=1晶多相场模型大体上可以分为两类。(3)(1)相场非守恒序参量(x,y,z;t)区分固液两式中:L(,,c,T)为各向异性拉格朗日自由能密相,浓度场守恒序参量c(x,y,z;t)区分相和相。[4~8]度;f(,c;T)为体积自由能密度;jk为梯度能系数,与这类共晶多相场模型和单相二元合金相场模[9~11]j和k两相的界面厚度及界面能相关;jk(rjk)为rjk的一型相似,由一个相场方程与其他场方程耦合构成。阶齐次函数;rjk=j-kj。(2)引入新的非守恒序参量(x,y,z;t)区分凝固过程质量守
5、恒,自由能随时间单调递减,满足相和相,规定=1表示固相,=-1表示液相L;这两个要求的动力学方程为:=1表示相,=-1表示相。这类多相场模[12]jF型由两个相场方程与其他场方程耦合构成。更一般=-M1(,)j=1,,3(4)tj地,引入3个序参量1(x,y,z;t),2(x,y,z;t),cF={M2()[1-c]()}(5)3(x,y,z;t)分别对应固相,固相和液相L。规定tc1=1对应相,非相(相和液相L),1=0,对应固M1(,),M2()为多相场参数,多相场方程通过相和液
6、相L,序参量2和3具有相同的规定。这类M1(,)引入界面动力学各向异性,M2()与扩散多相场模型由3个相场方程与其他场方程的耦合构成。系数相关。[13][14]利用Steinbach等的这一多相场概念,Nestler等首多相场方程和溶质守恒方程构成了多相场模型。先建立了热力学一致广义多相场模型。该模型能够模如果体系考虑流场,上述多相场模型还要耦合连续方程拟包括纯物质多晶和多元多相合金在内的材料凝固过和动量守恒方程。为方便模型求解,还需进一步的简化程,为更一般性地描述系统相变提供了一个整体的框和变形。国家自然科学基金资助项目(50271057)朱耀
7、产,男,1978年出生,博士,西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安(710072),电话:029-88493942-8010收稿日期:2003-09-1345特种铸造及有色合金2004年第3期[33]有流场到包含流场的发展过程。这些形式多样的多3共晶多相场法模拟研究现状相场模型,有力地促进了共晶合金凝固微观组织模拟的[1]研究。共晶多相场模拟尚处于起始阶段,虽然得到了大Langer在1978年首先提出了模拟纯物质凝固过[2,15~19]量与试验定性相一致的结果,但是缺乏定量的研究。未程的相场法模型,纯物质凝固相场法模拟研究[4~12,18~25]来的发
8、展方向将是
