基于元胞自动机-格子玻尔兹曼模型的枝晶碰撞行为模拟

摘要

合金凝固过程中,游离枝晶在熔体中的运动行为是研究合金凝固组织形成过程的关键问题之一.元胞自动机-格子玻尔兹曼耦合模型是近年来进行凝固微观组织数值模拟的主要数值模型.本文改进了模拟枝晶生长的元胞自动机和格子玻尔兹曼模型,使其能够模拟过冷熔体中等轴晶的运动行为.改进的模型采用伽利略不变的动量交换法计算流体力,通过求解质心运动方程计算枝晶的运动位移,并通过动网格技术实现枝晶的运动,运用硬球模型处理枝晶的碰撞.采用该模型模拟了Al-4.7％Cu合金过冷熔体中单枝晶的沉降、牛顿流体中两圆形粒子的沉降和两枝晶的弹性碰撞.模拟结果表明,本模型在计算枝晶生长运动过程时可以很好地维持枝晶的形貌.采用本模型计算等轴枝晶的碰撞过程表明,枝晶的运动会扰动其周围的熔体,造成周围熔体浓度显著变化,进而影响枝晶的生长,加剧枝晶生长的不对称性.