过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

于艳梅; 杨根仓; 赵达文; 吕衣礼; A. KARMA; C. BECKERMANN

doi:10.7498/aps.50.2423

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过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

于艳梅 , 杨根仓 , 赵达文 , 吕衣礼 , A. KARMA , C. BECKERMANN

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凝聚物质：结构、热学和力学性质

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

于艳梅, 杨根仓, 赵达文, 吕衣礼, A. KARMA, C. BECKERMANN

物理学报, 2001, 50(12): 2423-2428.

doi: 10.7498/aps.50.2423

NUMERICAL SIMULATION OF DENDRITIC GROWTH IN UNDERCOOLED MELT USING PHASE-FIELD APPROACH

YU YAN-MEI, YANG GEN-CANG, ZHAO DA-WEN, Lü YI-LI, A. KARMA, C. BECKERMANN

Acta Phys. Sin., 2001, 50(12): 2423-2428.

doi: 10.7498/aps.50.2423

摘要
利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小

关键词:
过冷 /

枝晶生长 /

相场法 /

数值模拟
Abstract
Using the phase-field approach, the dendritic growth in the undercooled pure metal melt is simulated, and the dependence of dendritic growth upon the anisotropy,interfacial kinetics,thermal diffusivity and surface energy is investigated.The calculated results indicate that the heat noise can trigger the growth of side-branches;however this dose not influence the selection of the tip operating state.The dimensionless tip velocity increases and the tip radius decreases with the increase of anisotropy. Correspondently,the dimensionless tip velocity decreases and tip radius increases when the interfacial kinetics or thermal diffusivity (when the interface kinetic coeffiecient is less than 1) inreases. The surface energy tends to increase the size of dendrite and keeps the stability of interface under the disturbance of heat noise.The greater the surface energy,the weaker the tendency to form side-branches.

Keywords:
undercooling /

dendritic growth /

phase-field approach /

numerical simulation
作者及机构信息
于艳梅³,

杨根仓³,

赵达文³,

吕衣礼³,

A. KARMA²,

C. BECKERMANN¹

(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:59971037);西北工业大学博士论文创新基金资助的课题.
Authors and contacts
YU YAN-MEI³,

YANG GEN-CANG³,

ZHAO DA-WEN³,

Lü YI-LI³,

A. KARMA²,

C. BECKERMANN¹

(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072
参考文献

施引文献

[1]	楚硕, 郭春文, 王志军, 李俊杰, 王锦程. 浓度相关的扩散系数对定向凝固枝晶生长的影响. 物理学报, 2019, 68(16): 166401. doi: 10.7498/aps.68.20190603
[2]	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
[3]	张军, 陈文雄, 郑成武, 李殿中. γ-α相变中不同晶界特征下铁素体生长形貌的相场模拟. 物理学报, 2017, 66(7): 070701. doi: 10.7498/aps.66.070701
[4]	魏绍楼, 黄陆军, 常健, 杨尚京, 耿林. 液态Ti-Al合金的深过冷与快速枝晶生长. 物理学报, 2016, 65(9): 096101. doi: 10.7498/aps.65.096101
[5]	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
[6]	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
[7]	魏承炀, 李赛毅. 温度梯度对晶粒生长行为影响的相场模拟. 物理学报, 2011, 60(10): 100701. doi: 10.7498/aps.60.100701
[8]	张宪刚, 宗亚平, 王明涛, 吴艳. 晶粒生长演变相场法模拟界面表达的物理模型. 物理学报, 2011, 60(6): 068201. doi: 10.7498/aps.60.068201
[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]	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
[12]	朱昌盛, 冯力, 王智平, 肖荣振. 三维枝晶生长的相场法数值模拟研究. 物理学报, 2009, 58(11): 8055-8061. doi: 10.7498/aps.58.8055
[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]	陈玉娟, 陈长乐. 相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响. 物理学报, 2008, 57(7): 4585-4589. doi: 10.7498/aps.57.4585
[15]	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
[16]	路阳, 王帆, 朱昌盛, 王智平. 等温凝固多晶粒生长相场法模拟. 物理学报, 2006, 55(2): 780-785. doi: 10.7498/aps.55.780
[17]	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
[18]	龙文元, 蔡启舟, 陈立亮, 魏伯康. 二元合金等温凝固过程的相场模型. 物理学报, 2005, 54(1): 256-262. doi: 10.7498/aps.54.256
[19]	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
[20]	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

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物理学报. 2001, 50(12): 2423-2428.

doi: 10.7498/aps.50.2423.

凝聚物质：结构、热学和力学性质

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

1. (1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:59971037);西北工业大学博士论文创新基金资助的课题.

收稿日期: 2001-06-01
修回日期: 2001-07-03
刊出日期: 2001-06-05

摘要: 利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小

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作者及机构信息

(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

Authors and contacts

(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

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(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

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(1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

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1. (1)Department of Mechanical Engineering,the University of Iowa.Iowa City,IA 52242,USA; (2)Department of Physics and Center for Interdisciplinary Research on Complex Systems,Northeastern University,Boston,Massachusetts 02115,USA; (3)西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072

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