偏晶合金液相分离过程的格子Boltzmann方法数值模拟

摘要

偏晶合金的液.液相分离过程是影响偏晶合金最终凝固组织的重要因素，仅通过实验手段研究液-液相分离过程及其影响因素比较困难。随着计算机技术的发展，人们可以通过数值模拟方法对偏晶合金凝同过程中的微观组织演化规律进行预测，为通过工艺控制来改善偏晶合金的凝固组织提供依据。本论文主要针对偏晶合金的液-液相分离过程开展模拟研究，完成的主要工作如下：
　　 本文首先建立了在第二相液滴的形核、扩散长大、碰撞合并和Ostwald熟化等因素的共同作用下偏晶合金液-液相分离过程的二维格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)模型，开发了相应的程序。通过模拟计算二维平面Poiseuille流动问题、单液滴生长时液滴界面处的附加压力和两液滴合并时液桥的演化过程，将模拟结果与相关的理论或实验结果进行比较，对计算两相流动的LBM模型及程序进行验证。
　　 应用所建立的LBM模型对单液滴的生长和液滴的合并过程进行了模拟研究。分析讨论了初始成分、相互作用势和扩散系数等冈素对单液滴生长行为的影响规律。分析了液滴的表面间距、初始半径和相互作用强度系数对两液滴合并过程的影响。结果表明，单液滴的生长过程是一个通过扩散从非平衡态到平衡态转变的过程。随着合金初始成分的增加，液滴的生长速度加快，液滴最终的平衡半径和相分数增大；随着相互作用势的增大，液滴的平衡浓度升高，液滴的生长速度和平衡半径减小：随着基体液相扩散系数的增大，液滴的生长速度加快。两个近邻的液滴在其周围浓度梯度的作用下会自动发生合并。临界表面间距是决定两液滴能否发生合并的重要条件，当两液滴的表面间距小于或等于临界表面间距时，两液滴可以自动发生合并；当两液滴的表面间距大于临界表面间距时，两液滴不仅不能合并，反而会相互排斥。随着液滴初始半径的增大，两液滴发生合并的临界表面间距增大：随着相互作用强度系数的增加，临界表面间距减小。
　　 最后应用两液相分离的LBM模型对多液滴的形核和生长规律进行了模拟研究。在不考虑液滴形核的情况下分析了合金初始成分和相互作用势对多液滴生长过程的影响规律。分析讨论了最大形核密度和冷却速度对第二相液滴连续形核.生长过程的影响。结果表明，液滴的扩散长大、液滴之间的碰撞合并作用和Ostwald熟化影响了液.液相分离过程和液滴的尺寸分布。随着相互作用势的增大，液滴的粗化速度减慢；平衡态时液滴平均半径减小，液滴数量增多。随着合金初始成分的增加，液滴的粗化速度加快；平衡态时液滴平均半径增大，液滴数量减少。随着最大形核密度的增大，液滴单位时间的形核密度和形核过程结束时最终的形核密度都增大；平衡态时液滴的数量下降，液滴的平均半径增大。随着冷却速度的增大，液滴的形核速度加快；达到平衡态时液滴的数量增大，液滴的平均半径减小。