基于三维LBM-CA模型的自然对流条件下Al-4.7％Cu合金的枝晶生长的数值模拟研究

摘要

建立了三维格子玻尔兹曼方法(LBM)—元胞自动机(CA)耦合数值模型,并用该模型模拟研究了Al-4.7％Cu(质量分数)固溶体合金的凝固过程.该耦合模型采用CA方法模拟枝晶的生长,同时采用基于分子动力学理论的格子玻尔兹曼方法模拟合金凝固过程中的温度场、流场以及溶质场.模拟结果再现了自然对流条件下三维单个枝晶的形貌变化和溶质富集过程,接着模拟出具有发达枝晶和不同晶体学取向的三维等轴多枝晶的生长形貌,最后研究了将微观组织和宏观模拟全面耦合起来的壁面等轴晶的竞争生长、柱状晶向等轴晶的转变过程(CET转变).计算结果表明,在纯扩散条件下,枝晶呈现出对称的生长现象,在自由枝晶稳态生长条件下,枝晶尖端速度、尖端半径与过冷度的关系与Lipton-Glicksman-Kurz(LGK)理论模型吻合较好.自然对流对单个枝晶形貌有明显的影响,使得枝晶的生长呈现不对称性,即枝晶在迎流方向上的生长得到促进,在顺流方向上的生长受到抑制.对耦合宏观场与微观组织铸锭CET过程的计算表明,自然对流使得CET转化提前,加速了凝固进程,并有细化晶粒的作用.