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基于格子玻尔兹曼-元胞自动机模型的固空凝固相变模拟
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作者 戴闻骁 郑晓红 +3 位作者 梁文清 钱华 雷刚 疏志勇 《制冷技术》 2024年第2期11-17,37,共8页
为研究液氢中固态空气(固空)在流场中的凝固过程,本文将空气视为氮氧混合物,采用格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)方法模拟固空晶体在强迫对流下枝晶生长过程及其晶体中氮氧浓度分布。研究发现:流场对枝晶形貌的影响表现在迎流侧与背流... 为研究液氢中固态空气(固空)在流场中的凝固过程,本文将空气视为氮氧混合物,采用格子玻尔兹曼-元胞自动机(LBM-CA)方法模拟固空晶体在强迫对流下枝晶生长过程及其晶体中氮氧浓度分布。研究发现:流场对枝晶形貌的影响表现在迎流侧与背流侧枝晶生长速度不平衡。上游的凝固潜热与析出溶质随流场在下游积聚,上下游浓度场与温度场有较大区别,导致迎流侧枝晶生长得到促进背流侧受到抑制。随着流速的增大,生长不对称性更明显,且富氧区氧浓度升高。当流速增加到0.05 m/s时,富氧区浓度达到23.48%,液氢系统爆炸风险增大。随着过冷度增大,流场导致的固空晶体形貌不对称性被削弱。在多晶粒共同结晶时,中心晶粒生长受明显抑制,且氧峰值浓度及富氧区面积较单晶粒生长时有明显提高。 展开更多
关键词 格子玻尔兹曼-元胞自动机 固态空气 液氢 氧浓度分布
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强制流动下铝铜合金激光焊接熔池凝固过程组织演化模拟
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作者 蔡佳思 刘湘波 +1 位作者 王新元 魏艳红 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第19期224-230,共7页
建立一个元胞自动机-有限差分-格子玻尔兹曼耦合模型(CA-FD-LB coupled model),对Al-Cu合金激光焊接熔池凝固全过程枝晶的演化开展模拟研究。模拟结果表明,顶盖驱动流一级、二级涡位置和文献结果吻合得非常好;等温纯扩散条件下,枝晶尖... 建立一个元胞自动机-有限差分-格子玻尔兹曼耦合模型(CA-FD-LB coupled model),对Al-Cu合金激光焊接熔池凝固全过程枝晶的演化开展模拟研究。模拟结果表明,顶盖驱动流一级、二级涡位置和文献结果吻合得非常好;等温纯扩散条件下,枝晶尖端生长速度与过冷度的关系和Lipton-Gilicksman-Kurz(LGK)模型的结果吻合良好。对流作用下枝晶的生长形貌呈现出不对称性,是因为枝晶上游尖端在流动挤压冲刷作用下溶质扩散层变窄,浓度梯度变大,生长得到促进,下游反之。此外,对流加速凝固过程,缩短了凝固时间。焊缝柱状晶平均长度的模拟和实验测量结果分别为117μm和91μm,相对误差约为28.6%,可见耦合模型可靠。 展开更多
关键词 铝合金 激光焊 组织模拟 元胞自动机 格子玻尔兹曼
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CA-LBM模型模拟自然对流作用下的枝晶生长 被引量:15
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作者 杨朝蓉 孙东科 +2 位作者 潘诗琰 戴挺 朱鸣芳 《金属学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2009年第1期43-50,共8页
建立了一个基于二维的元胞自动机-格子Boltzmann方法(cellular automaton-lattice Boltzmann method,CA-LBM)的耦合模型,对自然对流作用下枝晶的生长行为进行模拟研究.本模型采用CA方法模拟枝晶的生长,采用LBM对自然对流及由对流和扩散... 建立了一个基于二维的元胞自动机-格子Boltzmann方法(cellular automaton-lattice Boltzmann method,CA-LBM)的耦合模型,对自然对流作用下枝晶的生长行为进行模拟研究.本模型采用CA方法模拟枝晶的生长,采用LBM对自然对流及由对流和扩散控制的溶质和热传输进行数值计算.通过计算方腔自然对流问题对模拟自然对流、溶质和热传输的LB模型进行了验证.应用所建立的CA-LBM耦合模型模拟研究了合金中单枝晶和多枝晶在自然对流作用下的生长规律,并将单枝晶上游尖端的稳态生长模拟数据与解析模型的预测结果进行了比较.结果表明,模拟结果与理论预测值吻合良好,自然对流会对枝晶的生长产生重要影响. 展开更多
关键词 枝晶生长 自然对流 元胞自动机 格子boltzmann方法 数值模拟
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固空沉积的数值模拟 被引量:5
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作者 周伟煜 梁文清 +2 位作者 钱华 雷刚 荀其宁 《制冷技术》 2019年第1期21-27,60,共8页
本文综合考虑成分过冷、曲率过冷和热过冷,建立固空沉积元胞自动机模型,并通过格子玻尔兹曼模型耦合流动扩散过程,模拟在小过冷度下固空凝固生长过程。模拟结果表明:该模型可以模拟出凝结后固空的对称形貌,模拟的晶体氮氧体积分数分布... 本文综合考虑成分过冷、曲率过冷和热过冷,建立固空沉积元胞自动机模型,并通过格子玻尔兹曼模型耦合流动扩散过程,模拟在小过冷度下固空凝固生长过程。模拟结果表明:该模型可以模拟出凝结后固空的对称形貌,模拟的晶体氮氧体积分数分布特征与试验结果吻合较好。空气比例的氮氧混合液凝固时局部氧体积分数最高可达0.244。较大过冷度以及较低的初始氧体积分数对凝固速率起促进作用,而凝固场氧体积分数峰值随过冷度和初始氧体积分数的增大而增大。自然对流的存在使晶体呈非对称生长,凝固场氧体积分数峰值降低。模拟结果对开展液氢中固空安全研究具有指导意义。 展开更多
关键词 固空 氮氧分布 格子玻尔兹曼 元胞自动机
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CA-LBM数值模型的应用研究
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作者 张迎新 黄会明 +2 位作者 曹峰源 李学琳 陈洪建 《科技通报》 2023年第3期8-14,共7页
本文通过建立CA-LBM(格子玻尔兹曼-元胞自动机)耦合数值模型,模拟了多晶硅定向凝固过程中FET(小平面柱状晶-等轴晶转化)微观组织演变过程。结果表明:在碳杂质浓度达到临界值后,小平面界面前沿通过在SiC上形核实现向等轴晶生长转化;凝固... 本文通过建立CA-LBM(格子玻尔兹曼-元胞自动机)耦合数值模型,模拟了多晶硅定向凝固过程中FET(小平面柱状晶-等轴晶转化)微观组织演变过程。结果表明:在碳杂质浓度达到临界值后,小平面界面前沿通过在SiC上形核实现向等轴晶生长转化;凝固过程中碳杂质浓度的高低决定等轴晶形态,高的碳杂质浓度等轴晶形态为热等轴枝晶,低的碳杂质浓度等轴晶的形态为等轴晶粒;多晶硅最终微观组织结构受形核密度和形核过冷度控制。 展开更多
关键词 多晶硅 数值模拟 小平面 格子玻尔兹曼 元胞自动机
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枝晶生长和气泡形成的数值模拟 被引量:11
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作者 吴伟 孙东科 +1 位作者 戴挺 朱鸣芳 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第15期39-47,共9页
本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton,LBM-CA)耦合模型,对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究.本模型采用CA方法模拟枝晶的生长,根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力... 本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton,LBM-CA)耦合模型,对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究.本模型采用CA方法模拟枝晶的生长,根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力.采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动.在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用.应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证.应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响.发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大.定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象,与实验结果符合良好.此外,初始气体含量越高,凝固结束时气泡的体积分数也相对较高.本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理. 展开更多
关键词 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 枝晶 气泡
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凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟 被引量:5
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作者 陈海楠 孙东科 +1 位作者 戴挺 朱鸣芳 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第12期38-48,共11页
建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)模型.该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型,结合采用不同时间步长的方法,实现密度比达800以上的气液两相流模拟.为了对模型进行验证,模拟了在... 建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)模型.该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型,结合采用不同时间步长的方法,实现密度比达800以上的气液两相流模拟.为了对模型进行验证,模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系,其结果满足Laplace定律.将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellul arautomaton,CA)和有限差分法(FDM)相耦合,用LBM模拟气液两相流,用CA方法模拟固相生长,用有限差分法模拟温度场,采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究.结果表明,绝热气泡的存在影响了温度场分布,使得凝固前沿接近气泡时,液-固界面凸起,在不同的固相生长速度条件下,出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况,模拟结果与实验结果符合良好. 展开更多
关键词 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡
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基于LBM-CA耦合模型的定向凝固多晶硅小平面枝晶生长数值模拟 被引量:2
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作者 马旺 陈洪建 +1 位作者 王佳 李日 《硅酸盐学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期140-146,共7页
为了更好的研究高各向异性小平面枝晶生长。提出了一种综合考虑动力学各向异性和界面能各向异性的小平面枝晶生长的格子Boltzmann方法-元胞自动机(LBM-CA)耦合模型,对硅小平面枝晶的生长过程及生长形状进行模拟;验证所采用的新动力学各... 为了更好的研究高各向异性小平面枝晶生长。提出了一种综合考虑动力学各向异性和界面能各向异性的小平面枝晶生长的格子Boltzmann方法-元胞自动机(LBM-CA)耦合模型,对硅小平面枝晶的生长过程及生长形状进行模拟;验证所采用的新动力学各向异性方程的正确性;研究了界面能各向异性、动力学各向异性和过冷度对小平面枝晶生长的影响。结果表明:小平面枝晶较非小平面枝晶表现出更强的各向异性;界面能各向异性系数的增大,小平面枝晶生长的各向异性显著增大,生长速率变化、部分取向缺失;过冷度的增大,硅晶体由小平面晶粒生长变为小平面枝晶,其各向异性也显著增强,取向缺失增加,棱角更加明显,二次枝晶臂生长速率加快;动力学各向异性增大,二次枝晶臂生长速率、长度和数量均有增加。 展开更多
关键词 多晶硅 数值模拟 小平面枝晶 格子boltzmann 元胞自动机
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基于CA-LBM三维模型的硅小平面枝晶生长数值模拟 被引量:1
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作者 杜森 马旺 +2 位作者 陈辉 李日 陈洪建 《硅酸盐学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期1964-1969,共6页
为了解析硅小平面枝晶生长机制,真实再现其生长过程,建立了三维的元胞自动机-格子Boltzmann方法(CA-LBM)耦合模型,通过元胞自动机计算硅枝晶的生长,通过格子Boltzmann方法计算硅晶体凝固过程的温度场,通过硅晶体生长过程中释放出的凝固... 为了解析硅小平面枝晶生长机制,真实再现其生长过程,建立了三维的元胞自动机-格子Boltzmann方法(CA-LBM)耦合模型,通过元胞自动机计算硅枝晶的生长,通过格子Boltzmann方法计算硅晶体凝固过程的温度场,通过硅晶体生长过程中释放出的凝固潜热将二者耦合,并引入高各向异性函数,对硅三维小平面枝晶的生长进行了数值模拟。分析了界面能各向异性及初始过冷度对三维小平面硅枝晶形貌的影响。结果表明:三维硅小平面枝晶具有很强的各向异性,三维模型能更真实准确地模拟硅小平面枝晶的生长。 展开更多
关键词 三维数值模拟 硅小平面枝晶 格子boltzmann方法 元胞自动机
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A CA-LBM model for simulating dendrite growth with forced convection
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作者 Xiang-ning Meng Lei Cui +1 位作者 Yi-han Shi Miao-yong Zhu 《Journal of Iron and Steel Research International》 SCIE EI CSCD 2021年第8期997-1008,共12页
A two-dimensional coupled model of the cellular automaton(CA)and the lattice Boltzmann method(LBM)was developed to simulate the solute dendrite growth of Fe-C-Mn-S alloy in the presence of forced convection.The model ... A two-dimensional coupled model of the cellular automaton(CA)and the lattice Boltzmann method(LBM)was developed to simulate the solute dendrite growth of Fe-C-Mn-S alloy in the presence of forced convection.The model describes the transport phenomenon by the evolution of moving pseudo-particles distribution functions and utilizes the LBM to solve fluid flow and solute transport under forced convection numerically.Based on the solute field calculated by the CA technique,the dynamics of dendrite growth were determined by the previously proposed local solute balance method.The accuracy of the forced convection dendrite growth model was verified by comparing the CA-LBM model with Lipton-Glicksman-Kurz analytical model.It is revealed that the dendrite symmetry structure is destroyed compared to free diffusion,and the upstream arm is more developed than the downstream arm of the dendrite.The enriched solute segregates more at the downstream side than at the upstream side of the dendrite.The length of the upstream dendrite arm increases firstly and then becomes stable with the increase in the flow velocity,the dendrite necking is restrained,and the vertical dendrite arm becomes longer. 展开更多
关键词 Two-dimensional coupled model Cellular automaton lattice boltzmann method Dendrite growth Forced convection
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