对流枝晶生长和气泡形成的格子Boltzmann方法模拟研究

本项目将基于格子Boltzmann方法(LBM)这一新的流体计算方法， 建立具有独创性的流场/温度场/浓度场和固/液/气三相共存相变的耦合模型以及相应的算法。所建立的模型能对二元合金在流场作用下枝晶生长和气泡形成演变规律进行定性和定量的数值模拟。通过模拟研究，分析合金凝固过程中的三传现象和气、液、固三相共存相变之间的相互作用机制。为发展流场作用下凝固显微组织形成理论提供依据，也为微观偏析、显微气孔等凝固缺陷以及多孔材料凝固组织的模拟预测建立基础。

本项目建立了具有独创性的包含流场-浓度场-温度场和气-液-固三相共存的LBM-CA-FDM耦合模型以及相关算法。在模型中用大密度比双组份两相流格子Boltzmann方法(LBM)模拟气-液相的流动、气泡在液相中的形成和运动，用元胞自动机(CA)方法模拟枝晶的生长，用有限差分法(FDM)计算温度场和浓度场。对所建立的耦合模型进行了相关的理论和实验验证。模拟分析了凝固过程中液-固界面和气泡运动及其相互作用。随固相生长速度从高到低变化, 凝固界面与气泡的相互作用变化趋势为: 固相吞没气泡、固相和气泡竞争生长而形成不规则气孔形貌、或气泡被推离凝固前沿。随气-液相互作用系数增大，气孔的体积分数增大。模拟了定向凝固时枝晶和气泡生长。其模拟结果再现了枝晶的择优生长、气泡在二次枝晶臂间的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象。对流场作用下枝晶生长的模拟结果表明，在强制对流和自然对流的条件下，随流场强度和合金成分增加，流场对枝晶生长的作用更加明显。流场可以促进枝晶生长动力学。此外，建立了CA-FDM耦合模型。在模型中用CA方法模拟枝晶和气孔生长，用FDM模拟溶质和氢的扩散。应用建立的CA-FDM耦合模型对Al-Si二元合金的枝晶和气孔的耦合生长规律进行了模拟研究。发现气孔相对于枝晶的形核位置和时间不仅会影响显微气孔的最终形貌，也会对枝晶的生长产生影响。随初始氢含量增加, 气孔体积分数增大, 气孔形核和开始生长所需的孕育期缩短, 但气孔密度没有明显增加。随冷却速度降低,气孔体积分数增大,最大气孔尺寸增大，但气孔密度呈现下降的趋势。随气-液界面张力的降低，气孔体积分数和最大气孔半径增大。本项目的研究结果发展和推动了LBM这一新的流体模拟技术在凝固组织模拟领域的应用。所建立的LBM-CA-FDM模型和CA-FDM模型的模拟结果能够揭示凝固过程中枝晶生长和气泡的析出、迁移和演化之间的相互作用物理机制，以及凝固参数对枝晶生长和气孔形成的影响规律，为发展相关的凝固理论和实际应用中控制优化凝固显微组织提供重要依据。