基于"气-液-固"三相流模型的压铸卷气性气孔缺陷的定量预测方法研究

In die casting process it is very common that the mechanical properties of castings can be significantly reduced due to the presence of gas porosity which even leads to casting scrapped. Due to the opacity of the die-casting mold, numerical simulation technology is an effictive way to analysis the gas porosity formation. However, currently the casting simulation technology can only do qualitative analysis for gas porosity prediction, while the quantitative prediction is not possible. The innovation of this project is to build a "gas-liquid-solid" three-phase flow mathematical model, which combines the numerical methods in the field of computational fluid dynamics (CFD), to carry out the research on gas porosity defect quantitative prediction method. The main research topics include: to build the "gas-liquid-solid" three-phase coupling mathematical model based on multidisciplinary theories of rheology, heat transfer and solidification; to study the high accuracy and efficiency numerical methods for the three-phase flow model based on the latest achievements in CFD field; to verify and improve the built mathematical model and numerical methods by digitized water simulation experiments and die-casting experiments; to establish the quantitative prediction method of gas porosity defect in die castings by combining the die-casting process parameters and alloy material parameters. The successful implementation of this project will have merits on both theoretical basis and engineering applications regarding of the in-depth study of the gas porosity formation mechanism, the improvement of the prediction level of the current casting simulation technology, as well as the expansion of its application ranges.

压铸生产常常由于卷气性气孔的存在而显著降低铸件力学性能甚至导致铸件报废。由于模具的不透明性，采用数值模拟技术来分析气孔缺陷的形成是一种较有效的手段。然而，目前的铸造模拟技术对气孔缺陷只能进行定性预测，还无法做到定量预测。本项目的创新性在于建立"气-液-固"三相流数学模型，结合计算流体力学(CFD)的数值求解方法，开展压铸气孔缺陷定量预测方法的研究。主要研究内容包括：基于流变学、传热学、凝固学等多学科理论基础，建立适用于压铸的"气-液-固"三相流耦合数学模型；采用CFD最新成果，研究三相流模型的高效率、高精度数值求解方法；采用数字化水模拟实验和压铸实验，对所建立的数学模型及求解方法进行验证及改进；结合压铸工艺参数及合金物性参数，建立压铸气孔缺陷的定量预测方法。本项目的成功实施对于深入研究压铸气孔缺陷的形成机理，提高现有铸造模拟技术的预测水平，拓展其应用范围具有重要的理论意义和工程应用价值。

压铸生产常常由于卷气性气孔的存在而显著降低铸件力学性能甚至导致铸件报废。数值模拟技术是分析气孔缺陷的一种较有效手段。然而，目前的铸造模拟技术对气孔缺陷只能进行定性预测，还无法做到定量预测。本项目的创新性在于建立“气-液-固”三相流数学模型，结合计算流体力学(CFD)的数值求解方法，开展压铸气孔缺陷定量预测方法的研究。主要研究内容包括：（1）基于流变学、传热学、凝固学等多学科理论，建立了适用于压铸过程的“气-液-固”三相流耦合数学模型，充分考虑各相之间的耦合关系，能够定量得到充型凝固完毕后铸件中气孔的大小及分布；（2） 研究了高效率、高精度的数值求解技术，主要研究了相间界面的处理方法，适用于可压缩流体的SOLA算法，以及解决了相界面附近物性参数跨越较大所引起的计算发散问题；（3） 对所建立的模型及算法进行实验验证及改进，为了验证模拟结果的准确性，利用水模拟实验系统，基于对水模拟实验动态过程的高精度重构，定量的分析各相的形态与分布，从而为数值模拟研究提供直接的实验验证手段； （4）研究了模拟分析压铸气孔预测中的主要影响因素，考察了数学模型中所需要考虑的重要物理因素对所预测的气孔分布及大小的影响，主要包括：气体可压缩性，表面张力等。目前在国内外核心期刊及重要学术会议上已发表署名本课题资助的研究论文7 篇，其中EI收录论文3 篇。此外，另有1篇英文论文已分别投稿至SCI 收录期刊《Applied Mathematical Modelling》.