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双扩散作用下宏观偏析的数值模拟。
马长文沈厚发。黄天佑柳百成
(清华大学机械工程系 北京100084)
摘要本文建立了双扩散作用下糊状区液相流动与溶质分布的数学模型,并对
凝固过程中的宏观偏析进行数值模拟。模型中考虑了糊状区温度、溶质浓度梯度
导致的固相、液相密度差异,研究了两种因素导致的液相(包括枝晶间液相)对流对
凝固宏观偏析的影响。运用SIMPLE方法编制了求解数学模型的程序,对模型中
的质量、动量、能量和溶质等守恒方程联立求解。通过分别对NH4clH20铸锭侧
面或底面两种冷却、凝固过程进行模拟研究,得到了凝固过程中的温度场、流场、浓
度场。宏观偏析的形成取决于双扩散作用下的流场特征,尤其与枝晶间浓度较高
的液相流动密切相关。在双扩散作用下,流场、溶质场、固相分数场相互作用,并受
冷却条件的影响。铸锭侧面冷却,顶部形成正偏析,底部形成负偏析;铸锭底面冷
却,易于形成向上生长的通道偏析。在双扩散对流作用下,凝固前沿热流体的侵入
导致糊状区局部重熔、形成通道;一些偏析通道由于相邻通道的优先生长导致溶质
贫化而被掩埋。
关键词 宏观偏析 双扩散 数值模拟
1引言
宏观偏析是铸件中合金成分在晶粒尺度范围以上的不均匀分布现象。其形成归因于溶
质大尺度艳围的迁移,而这种迁移可能由溶质浓度较高的液相或固相移动产生。
宏观偏析形成过程中,温度场、流场、溶质场三者之间相互作用。从Flemings…早期提
出“局方程”以后,宏观偏析的模拟一般采用动量、能量、溶质三个场的耦合模型。Pennon和
m。nn[5“]等人提出了基于体积平均概念的三场耦合模型,并对几种不同情况下的宏观偏析
进行了,预测。然而,目前宏观偏析模拟的精确性及实用性仍有待深入研究。
本文基于连续模型,建立了质量、动量、能量、溶质守恒方程,采用SIMPLE算法进行求
解.开发了,计算温度场、流场、溶质场的程序,对NH4CI—H20的凝固进行了宏观偏析的预测,
o本文获清华大学机械‘1#院院基金资助。
●沈厚发:男,1964年10月生,博士,副教授;现从事材料凝固-qlJn工研究;通信地址:北京清华大学机械工程系
educn
电子信箱:shen@tsinghua
邮编:100084;电话:010传真:010
1566 O材料制备工艺模拟
结果较好地描述r舣扩散对流作t【}j下的宏观偏析。
2数学模型
2.1模型描述
凝固过程宏观偏析的数学模型包括动量、能量、溶质三个守恒方程,描述了二兀固液
十H系统的宏观相变行为。各守恒方程从经典混合理论的原理推导得出E7.8},模型基于假设
条件:凝固系中仅有固液两相存在,没有气泡等;糊状区近似为多孔介质;固液相界面卜热力
学平衡假设成也,且一个单元内可瞬间达到热平衡;固相内溶质无扩散;固相无运动、无应
变;层流流动.粘度为常数;采用Bou”inesq假设,仅在浮力项中考虑密度变化,其余密度税
为常每。
守恒方程包括:
(1)连续方程
若(P)+F‘(PV)20 (1)
(2)动量守恒方程
未(P“,一(一v“,一㈦Vu)一箦导c“-¨冀㈦
未(舢)+驴’(P¨)=P‘(户P卫l
(3)
(3)能量守恒方程
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毒(砷)+r’(pvh) 训
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(4)溶质守恒方程
毒(矿)+P‘(pvp)
(5)
糊状区中,能量守恒方程和溶质守恒
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