强制对流下镍基高温合金枝晶生长的格子玻尔兹曼模拟
发布时间：2020-12-27 09:50
先进商用航空发动机大推力和轻量化的需求使得复杂薄壁高温合金铸件得到广泛的应用。对于复杂结构铸件,其充型中的流动和凝固过程十分复杂,凝固组织不仅受凝固顺序,溶质和热量分布影响,还受熔体对流的作用。因此研究复杂空间中强制对流条件下的高温合金凝固组织演变机制,从而为航空发动机用铸件成型提供理论基础,不仅是一个需要深入系统研究的基础问题,而且还具有实际的工程价值。本文基于格子玻尔兹曼方法,建立了一个能定量模拟对流作用下枝晶生长周围流场、溶质场和温度场变化的LBM三场传输模型,并将其与基于元胞自动机方法的Zhu-Stefanescu模型耦合起来,建立了以K4169镍基高温合金为模型合金的Ni-Nb二元合金对流枝晶生长模型。利用该模型,对凝固过程中基本的流动与传质传热问题、强制对流下的镍基高温合金枝晶生长进行模拟,模拟了铸造工艺中合金熔体充型时出现的平板流动、管道流动以及模拟涡流演变的顶盖驱动流,以及熔体中溶质对流扩散问题和方腔自然对流。通过以上模拟可知,所建立模型具有一定的适用性和良好的准确性。利用所建立的对流枝晶生长模型,通过调整初始过冷度和初始浓度等工艺参数,开展其对镍基高温合金枝晶的形成和...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni-Cr合金定向凝固糊状区枝晶组织
上海交通大学硕士学位论文212.3基于二维灰度统计的凝固熵模型为了定量表征凝固组织的复杂度，我们定义凝固熵为=∑()log()=0(2-36)其中，()为元胞状态出现的概率，n为系统中所有状态数。对于凝固系统来说，为液相()，界面()和固相()中一种，n即为3。假设计算区域划分化为×个元胞，那么当整个计算区域只有一个晶核时，()=1，()=0，()=0，则(=)=()×(2-37)类似的，可以计算得到(=)和(=)，并由式(2-36)得到凝固熵值。凝固熵是借鉴信息论中由香农提出的信息熵(ShannonEntropy)的概念[65]，将其引入到凝固系统的表征中去。以此来衡量物理上凝固系统的混乱程度。为了方便统计，在实际表征枝晶形貌图片时，采用了利用灰度值来计算凝固熵的办法，也就是利用枝晶形貌图片中，固液界面与固相具有明显不同的像素特征，利用像素灰度的不同来像素点位置状态的不同，具体实现办法为：将枝晶形貌图片二值化，然后利用灰度熵计算公式(2-38)进行计算统计，如下图2-3所示。=∑255log(2-38)图2-3(a)实验镍基高温合金枝晶形貌图片及其二维化的灰度图片Fig.2-3Experimentaldendriteofnickel-basedsuperalloyanditsgrayscalepicture
第三章镍基高温合金对流枝晶生长模型的模拟研究24可知轴向速度沿着垂直方向变化，=().将该关系代入x方向的Navier-Stokes动量方程，稳态条件二维流动，则有：()=++(2)(3-2)(0+0)=0+0+(0+22)(3-3)去掉大部分为零的项，动量方程可化简后，可得到解析方程：22=0(3-4)再应用无滑移边界条件(=,=;=0,=0)到上下边界上，可得到定常的平面Couette流动的解析解：=,0≤≤(3-5)图3-1Couette流示意图Fig.3-1TheCouetteplaneflowgeometryillustration若考虑x方向两端加一个压力梯度/，其余不变，则Couette流动转变为Couette-Poiseuille流，则其解析解变为：=+12()(3-6)Couette流的LBM模拟采用了第二章所建立的流场LBM传输模型。上下边界处理为反弹格式(Bounce-backBCs)，左右边界处理为周期边界格式（PeriodicBCs）。图3-2为Upperboundary(moving)Shearstress,Bottomboundary(fixed)Velocity,U()
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟[J]. 戴挺,朱鸣芳,陈双林,曹伟生,洪俊杓. 金属学报. 2008(10)
[2]板坯连铸结晶器流场的格子法模拟[J]. 张小军,沈厚发. 机械工程学报. 2006(09)
[3]Lattice-Boltzmann方法计算多孔介质内固液相变问题[J]. 钱吉裕,李强,宣益民. 自然科学进展. 2006(04)
[4]对流作用下枝晶生长行为的数值模拟[J]. 朱鸣芳,戴挺,李成允,洪俊杓. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(07)
[5]Modeling of dendritic growth in the presence of convection[J]. LEE Sungyoon,HONG Chunpyo. Science in China(Series E:Technological Sciences). 2005(03)
[6]应用连续性方法模拟枝晶生长[J]. 李强,李殿中,钱百年. 金属学报. 2004(06)
[7]双扩散自然对流的格子Boltzmann模拟[J]. 郭照立,李青,郑楚光. 计算物理. 2002(06)
本文编号：2941531
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Ni-Cr合金定向凝固糊状区枝晶组织
上海交通大学硕士学位论文212.3基于二维灰度统计的凝固熵模型为了定量表征凝固组织的复杂度，我们定义凝固熵为=∑()log()=0(2-36)其中，()为元胞状态出现的概率，n为系统中所有状态数。对于凝固系统来说，为液相()，界面()和固相()中一种，n即为3。假设计算区域划分化为×个元胞，那么当整个计算区域只有一个晶核时，()=1，()=0，()=0，则(=)=()×(2-37)类似的，可以计算得到(=)和(=)，并由式(2-36)得到凝固熵值。凝固熵是借鉴信息论中由香农提出的信息熵(ShannonEntropy)的概念[65]，将其引入到凝固系统的表征中去。以此来衡量物理上凝固系统的混乱程度。为了方便统计，在实际表征枝晶形貌图片时，采用了利用灰度值来计算凝固熵的办法，也就是利用枝晶形貌图片中，固液界面与固相具有明显不同的像素特征，利用像素灰度的不同来像素点位置状态的不同，具体实现办法为：将枝晶形貌图片二值化，然后利用灰度熵计算公式(2-38)进行计算统计，如下图2-3所示。=∑255log(2-38)图2-3(a)实验镍基高温合金枝晶形貌图片及其二维化的灰度图片Fig.2-3Experimentaldendriteofnickel-basedsuperalloyanditsgrayscalepicture
第三章镍基高温合金对流枝晶生长模型的模拟研究24可知轴向速度沿着垂直方向变化，=().将该关系代入x方向的Navier-Stokes动量方程，稳态条件二维流动，则有：()=++(2)(3-2)(0+0)=0+0+(0+22)(3-3)去掉大部分为零的项，动量方程可化简后，可得到解析方程：22=0(3-4)再应用无滑移边界条件(=,=;=0,=0)到上下边界上，可得到定常的平面Couette流动的解析解：=,0≤≤(3-5)图3-1Couette流示意图Fig.3-1TheCouetteplaneflowgeometryillustration若考虑x方向两端加一个压力梯度/，其余不变，则Couette流动转变为Couette-Poiseuille流，则其解析解变为：=+12()(3-6)Couette流的LBM模拟采用了第二章所建立的流场LBM传输模型。上下边界处理为反弹格式(Bounce-backBCs)，左右边界处理为周期边界格式（PeriodicBCs）。图3-2为Upperboundary(moving)Shearstress,Bottomboundary(fixed)Velocity,U()
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝基四元合金枝晶组织及微观偏析的数值模拟[J]. 戴挺,朱鸣芳,陈双林,曹伟生,洪俊杓. 金属学报. 2008(10)
[2]板坯连铸结晶器流场的格子法模拟[J]. 张小军,沈厚发. 机械工程学报. 2006(09)
[3]Lattice-Boltzmann方法计算多孔介质内固液相变问题[J]. 钱吉裕,李强,宣益民. 自然科学进展. 2006(04)
[4]对流作用下枝晶生长行为的数值模拟[J]. 朱鸣芳,戴挺,李成允,洪俊杓. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(07)
[5]Modeling of dendritic growth in the presence of convection[J]. LEE Sungyoon,HONG Chunpyo. Science in China(Series E:Technological Sciences). 2005(03)
[6]应用连续性方法模拟枝晶生长[J]. 李强,李殿中,钱百年. 金属学报. 2004(06)
[7]双扩散自然对流的格子Boltzmann模拟[J]. 郭照立,李青,郑楚光. 计算物理. 2002(06)
本文编号：2941531
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