三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

朱昌盛; 冯力; 王智平; 肖荣振

doi:10.7498/aps.58.8055

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三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

朱昌盛 , 冯力 , 王智平 , 肖荣振

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三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

朱昌盛, 冯力, 王智平, 肖荣振

物理学报, 2009, 58(11): 8055-8061.

doi: 10.7498/aps.58.8055

Numerical simulation of three-dimensional dendritic growth using phase-field method

Zhu Chang-Sheng, Feng Li, Wang Zhi-Ping, Xiao Rong-Zhen

Acta Phys. Sin., 2009, 58(11): 8055-8061.

doi: 10.7498/aps.58.8055

摘要
基于薄界面限制、耦合界面能各向异性的相场模型，采用动态计算区域的加速算法，对纯物质的三维枝晶生长进行了定量模拟，真实再现了枝晶的生长过程.对枝晶尖端进行了剖切分析，表明主枝截面上各向异性没有主枝方向各向异性明显；对枝晶尖端生长速度、尖端半径、Peclet数及临界稳定性参数σ*进行模拟计算，并与同条件下报道值进行了对比分析，两者符合良好，并得到了与结晶理论相一致的枝晶生长规律，证实了相场方法模拟三维空间枝晶生长可行有效.

关键词:
相场方法 /

枝晶生长 /

微观组织 /

三维数值模拟
Abstract
Quantitative numerical simulation of three-dimensional dendritic growth in pure undercooled melt is carried out based on phase-field model of thin-interface limit and incorporating interfacial energy anisotropy which is solved by an accelerated algorithm of the dynamic computing regions, the dendritic growth is faithfully described. The dendritic tip is analyzed by cutaway view, indicating that the anisotropy of main branches’ section is not more obvious than that of main branches. The dendritic tip growth speed, tip radius, tip Peclet number as well as classic stability parameter σ* are simulated, compared with reported values under same condition,and they agree well with each other. Dendritic growth law that is in accordance with crystalline theroy is achieved, and it is proved that it is feasible and effective to simulate three-dimensional dendritic growth using phase-field method.

Keywords:
phase-field method /

dendritic growth /

microstructure /

three-dimension numerical simulation
作者及机构信息
朱昌盛²,

冯力¹,

王智平¹,

肖荣振¹

(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

基金项目: 教育部博士点基金(批准号：20070231001)，甘肃省自然科学研究基金(批准号：096RJZA104)和兰州理工大学博士基金(批准号：SB14200801)资助的课题.
Authors and contacts
Zhu Chang-Sheng²,

Feng Li¹,

Wang Zhi-Ping¹,

Xiao Rong-Zhen¹

(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050
参考文献

施引文献

[1]	刘联胜, 刘轩臣, 贾文琪, 田亮, 杨华, 段润泽. 小液滴撞击壁面传热特性数值分析. 物理学报, 2021, 70(7): 074402. doi: 10.7498/aps.70.20201354
[2]	朱海龙, 李雪迎, 童洪辉. 三维数值模拟射频热等离子体的物理场分布. 物理学报, 2021, 70(15): 155202. doi: 10.7498/aps.70.20202135
[3]	胡晓亮, 梁宏, 王会利. 高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟. 物理学报, 2020, 69(4): 044701. doi: 10.7498/aps.69.20191504
[4]	沙莎, 王伟丽, 吴宇昊, 魏炳波. 深过冷条件下Co7Mo6金属间化合物的枝晶生长和维氏硬度研究. 物理学报, 2018, 67(4): 046402. doi: 10.7498/aps.67.20172156
[5]	李路远, 阮莹, 魏炳波. 液态三元Fe-Cr-Ni合金中快速枝晶生长与溶质分布规律. 物理学报, 2018, 67(14): 146101. doi: 10.7498/aps.67.20180062
[6]	段培培, 邢辉, 陈志, 郝冠华, 王碧涵, 金克新. 镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究. 物理学报, 2015, 64(6): 060201. doi: 10.7498/aps.64.060201
[7]	石玉峰, 许庆彦, 柳百成. 基于改进元胞自动机模型的三元合金枝晶生长的数值模拟. 物理学报, 2012, 61(10): 108101. doi: 10.7498/aps.61.108101
[8]	潘诗琰, 朱鸣芳. 双边扩散枝晶生长的定量相场模型. 物理学报, 2012, 61(22): 228102. doi: 10.7498/aps.61.228102
[9]	王明光, 赵宇宏, 任娟娜, 穆彦青, 王伟, 杨伟明, 李爱红, 葛洪浩, 侯华. 相场法模拟NiCu合金非等温凝固枝晶生长. 物理学报, 2011, 60(4): 040507. doi: 10.7498/aps.60.040507
[10]	朱昌盛, 王军伟, 王智平, 冯力. 受迫流动下的枝晶生长相场法模拟研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7417-7423. doi: 10.7498/aps.59.7417
[11]	张科营, 郭红霞, 罗尹虹, 何宝平, 姚志斌, 张凤祁, 王园明. 静态随机存储器单粒子翻转效应三维数值模拟. 物理学报, 2009, 58(12): 8651-8656. doi: 10.7498/aps.58.8651
[12]	孙东科, 朱鸣芳, 杨朝蓉, 潘诗琰, 戴挺. 强制对流和自然对流作用下枝晶生长的数值模拟. 物理学报, 2009, 58(13): 285-S291. doi: 10.7498/aps.58.285
[13]	龙文元, 吕冬兰, 夏春, 潘美满, 蔡启舟, 陈立亮. 强迫对流影响二元合金非等温凝固枝晶生长的相场法模拟. 物理学报, 2009, 58(11): 7802-7808. doi: 10.7498/aps.58.7802
[14]	臧渡洋, 王海鹏, 魏炳波. 深过冷三元Ni-Cu-Co合金的快速枝晶生长. 物理学报, 2007, 56(8): 4804-4809. doi: 10.7498/aps.56.4804
[15]	龙文元, 蔡启舟, 魏伯康, 陈立亮. 相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长. 物理学报, 2006, 55(3): 1341-1345. doi: 10.7498/aps.55.1341
[16]	朱昌盛, 王智平, 荆涛, 肖荣振. 二元合金微观偏析的相场法数值模拟. 物理学报, 2006, 55(3): 1502-1507. doi: 10.7498/aps.55.1502
[17]	杨弘, 张清光, 陈民. 热扰动对过冷熔体中二次枝晶生长影响的相场法模拟. 物理学报, 2005, 54(8): 3740-3744. doi: 10.7498/aps.54.3740
[18]	李　强, 李殿中, 钱百年. 元胞自动机方法模拟枝晶生长. 物理学报, 2004, 53(10): 3477-3481. doi: 10.7498/aps.53.3477
[19]	赵代平, 荆涛, 柳百成. 相场方法模拟铝合金三维枝晶生长. 物理学报, 2003, 52(7): 1737-1742. doi: 10.7498/aps.52.1737
[20]	于艳梅, 杨根仓, 赵达文, 吕衣礼, A. KARMA, C. BECKERMANN. 过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟. 物理学报, 2001, 50(12): 2423-2428. doi: 10.7498/aps.50.2423

计量

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物理学报. 2009, 58(11): 8055-8061.

doi: 10.7498/aps.58.8055.

三维枝晶生长的相场法数值模拟研究

1. (1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

基金项目: 教育部博士点基金(批准号：20070231001)，甘肃省自然科学研究基金(批准号：096RJZA104)和兰州理工大学博士基金(批准号：SB14200801)资助的课题.

收稿日期: 2009-01-09
修回日期: 2009-02-12
刊出日期: 2009-11-20

摘要: 基于薄界面限制、耦合界面能各向异性的相场模型，采用动态计算区域的加速算法，对纯物质的三维枝晶生长进行了定量模拟，真实再现了枝晶的生长过程.对枝晶尖端进行了剖切分析，表明主枝截面上各向异性没有主枝方向各向异性明显；对枝晶尖端生长速度、尖端半径、Peclet数及临界稳定性参数σ*进行模拟计算，并与同条件下报道值进行了对比分析，两者符合良好，并得到了与结晶理论相一致的枝晶生长规律，证实了相场方法模拟三维空间枝晶生长可行有效.

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Numerical simulation of three-dimensional dendritic growth using phase-field method

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作者及机构信息

(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

Authors and contacts

(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

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Numerical simulation of three-dimensional dendritic growth using phase-field method

1.
(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

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(1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

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English Abstract

Numerical simulation of three-dimensional dendritic growth using phase-field method

1. (1)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050; (2)兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050；兰州理工大学CAD中心，兰州 730050

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