先進商用航空發(fā)動機大推力和輕量化的需求使得復(fù)雜薄壁高溫合金鑄件得到廣泛的應(yīng)用。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件,其充型中的流動和凝固過程十分復(fù)雜,凝固組織不僅受凝固順序,溶質(zhì)和熱量分布影響,還受熔體對流的作用。因此研究復(fù)雜空間中強制對流條件下的高溫合金凝固組織演變機制,從而為航空發(fā)動機用鑄件成型提供理論基礎(chǔ),不僅是一個需要深入系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)問題,而且還具有實際的工程價值。本文基于格子玻爾茲曼方法,建立了一個能定量模擬對流作用下枝晶生長周圍流場、溶質(zhì)場和溫度場變化的LBM三場傳輸模型,并將其與基于元胞自動機方法的Zhu-Stefanescu模型耦合起來,建立了以K4169鎳基高溫合金為模型合金的Ni-Nb二元合金對流枝晶生長模型。利用該模型,對凝固過程中基本的流動與傳質(zhì)傳熱問題、強制對流下的鎳基高溫合金枝晶生長進行模擬,模擬了鑄造工藝中合金熔體充型時出現(xiàn)的平板流動、管道流動以及模擬渦流演變的頂蓋驅(qū)動流,以及熔體中溶質(zhì)對流擴散問題和方腔自然對流。通過以上模擬可知,所建立模型具有一定的適用性和良好的準確性。利用所建立的對流枝晶生長模型,通過調(diào)整初始過冷度和初始濃度等工藝參數(shù),開展其對鎳基高溫合金枝晶的形成和... 

【文章來源】：上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

Ni-Cr合金定向凝固糊狀區(qū)枝晶組織

上海交通大學碩士學位論文212.3基于二維灰度統(tǒng)計的凝固熵模型為了定量表征凝固組織的復(fù)雜度，我們定義凝固熵為=∑()log()=0(2-36)其中，()為元胞狀態(tài)出現(xiàn)的概率，n為系統(tǒng)中所有狀態(tài)數(shù)。對于凝固系統(tǒng)來說，為液相()，界面()和固相()中一種，n即為3。假設(shè)計算區(qū)域劃分化為×個元胞，那么當整個計算區(qū)域只有一個晶核時，()=1，()=0，()=0，則(=)=()×(2-37)類似的，可以計算得到(=)和(=)，并由式(2-36)得到凝固熵值。凝固熵是借鑒信息論中由香農(nóng)提出的信息熵(ShannonEntropy)的概念[65]，將其引入到凝固系統(tǒng)的表征中去。以此來衡量物理上凝固系統(tǒng)的混亂程度。為了方便統(tǒng)計，在實際表征枝晶形貌圖片時，采用了利用灰度值來計算凝固熵的辦法，也就是利用枝晶形貌圖片中，固液界面與固相具有明顯不同的像素特征，利用像素灰度的不同來像素點位置狀態(tài)的不同，具體實現(xiàn)辦法為：將枝晶形貌圖片二值化，然后利用灰度熵計算公式(2-38)進行計算統(tǒng)計，如下圖2-3所示。=∑255log(2-38)圖2-3(a)實驗鎳基高溫合金枝晶形貌圖片及其二維化的灰度圖片F(xiàn)ig.2-3Experimentaldendriteofnickel-basedsuperalloyanditsgrayscalepicture

第三章鎳基高溫合金對流枝晶生長模型的模擬研究24可知軸向速度沿著垂直方向變化，=().將該關(guān)系代入x方向的Navier-Stokes動量方程，穩(wěn)態(tài)條件二維流動，則有：()=++(2)(3-2)(0+0)=0+0+(0+22)(3-3)去掉大部分為零的項，動量方程可化簡后，可得到解析方程：22=0(3-4)再應(yīng)用無滑移邊界條件(=,=;=0,=0)到上下邊界上，可得到定常的平面Couette流動的解析解：=,0≤≤(3-5)圖3-1Couette流示意圖Fig.3-1TheCouetteplaneflowgeometryillustration若考慮x方向兩端加一個壓力梯度/，其余不變，則Couette流動轉(zhuǎn)變?yōu)镃ouette-Poiseuille流，則其解析解變?yōu)椋?+12()(3-6)Couette流的LBM模擬采用了第二章所建立的流場LBM傳輸模型。上下邊界處理為反彈格式(Bounce-backBCs)，左右邊界處理為周期邊界格式（PeriodicBCs）。圖3-2為Upperboundary(moving)Shearstress,Bottomboundary(fixed)Velocity,U()

【參考文獻】：
期刊論文
[1]鋁基四元合金枝晶組織及微觀偏析的數(shù)值模擬[J]. 戴挺,朱鳴芳,陳雙林,曹偉生,洪俊杓.  金屬學報. 2008(10)
[2]板坯連鑄結(jié)晶器流場的格子法模擬[J]. 張小軍,沈厚發(fā).  機械工程學報. 2006(09)
[3]Lattice-Boltzmann方法計算多孔介質(zhì)內(nèi)固液相變問題[J]. 錢吉裕,李強,宣益民.  自然科學進展. 2006(04)
[4]對流作用下枝晶生長行為的數(shù)值模擬[J]. 朱鳴芳,戴挺,李成允,洪俊杓.  中國科學E輯:工程科學 材料科學. 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]應(yīng)用連續(xù)性方法模擬枝晶生長[J]. 李強,李殿中,錢百年.  金屬學報. 2004(06)
[7]雙擴散自然對流的格子Boltzmann模擬[J]. 郭照立,李青,鄭楚光.  計算物理. 2002(06)



本文編號：2941531