自然對(duì)流下合金凝固過(guò)程的LBM-CA模擬研究

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1、分類(lèi)號(hào)：TG244密級(jí)：公開(kāi)UDC：621.7編號(hào)：201431804037河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文自然對(duì)流下合金凝固過(guò)程的LBM-CA模擬研究論文作者：楊瑩瑩學(xué)生類(lèi)別：全日制專(zhuān)業(yè)學(xué)位類(lèi)別：工程碩士領(lǐng)域名稱(chēng)：材料工程指導(dǎo)教師：李日職稱(chēng)：教授資助基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51475138）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringNUMERICALSIMULA

2、TIONOFSOLIDIFICATIONPROCESSOFALLOYUNDERNATURALCONVECTIONBASEDONLATTICEBOLTZMANN-CELLULARAUTOMATAMODELbyYangYingyingSupervisor:Prof.LiRiMay2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.No.51475138.摘要自然對(duì)流對(duì)合金凝固過(guò)程的影響是當(dāng)前凝固領(lǐng)域數(shù)值模擬研究的前沿問(wèn)題

3、。本論文通過(guò)建立格子玻爾茲曼-元胞自動(dòng)機(jī)（LBM-CA）模型，將單相固溶體合金凝固過(guò)程的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及溶質(zhì)場(chǎng)與微觀組織的形成耦合起來(lái)，研究自然對(duì)流作用下的合金凝固過(guò)程。所完成的主要研究?jī)?nèi)容有：首先建立了LBM-CA模型，能夠計(jì)算單相固溶體合金凝固過(guò)程的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)及微觀組織的形成過(guò)程。并采用兩種方案對(duì)所建立的模型進(jìn)行正確性驗(yàn)證：（1）計(jì)算封閉方腔自然對(duì)流經(jīng)典算例，證明了本模型中的LBM模塊計(jì)算流場(chǎng)的正確性；（2）計(jì)算單枝晶在自然對(duì)流條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，將數(shù)值解分別與Kurz的邊界層理論溶

4、質(zhì)濃度、枝晶尖端速度的LGK解析解進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本模型的正確性。在上述基礎(chǔ)上，首先應(yīng)用本模型對(duì)自然對(duì)流條件下四個(gè)晶粒包圍一個(gè)晶粒以及全域等軸晶凝固過(guò)程特征進(jìn)行了計(jì)算研究。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于少量晶粒，自然對(duì)流顯著改變了枝晶形貌，迎流處枝晶生長(zhǎng)優(yōu)于順流處；對(duì)于大量晶粒，自然對(duì)流起到了均勻化溶質(zhì)的作用。接著，應(yīng)用本模型對(duì)有、無(wú)對(duì)流作用下的鑄錠CET（柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)化）過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。再現(xiàn)了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變過(guò)程，對(duì)比分析了自然對(duì)流對(duì)CET轉(zhuǎn)化和晶粒組織的影響，以及凝固過(guò)程中自然對(duì)流強(qiáng)度的變化

5、。結(jié)果表明：（1）自然對(duì)流使CET轉(zhuǎn)化位置提前，并有細(xì)化晶粒的作用，另外自然對(duì)流的強(qiáng)度變化是先增大后減小，直至消失。（2）自然對(duì)流促使鑄錠中心區(qū)域大量晶核同時(shí)形成，而非逐層形成。（3）與不考慮自然對(duì)流的鑄錠溫度場(chǎng)相比較，自然對(duì)流顯著改變了溫度場(chǎng)的分布形態(tài)，這將會(huì)促進(jìn)當(dāng)前凝固數(shù)值模擬商品化軟件溫度場(chǎng)計(jì)算方法的升級(jí)和進(jìn)步。將微觀組織與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬形貌和成分偏析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。最后，應(yīng)用本模型研究了凝固過(guò)程的枝晶重熔現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)多次重熔具有抑制柱狀晶生長(zhǎng)，使等軸晶增值并細(xì)化的作用。關(guān)鍵字

6、：?jiǎn)蜗喙倘荏w合金凝固過(guò)程自然對(duì)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