毕业设计（论文）
题目：译 文
A356铝合金在无约束成型时宏微/观上缩孔分布的模拟
学生姓名 陈卓 学号 2011106230 专业 材料成型及控制工程 班级20111062班 指导教师 叶喜葱老师 评阅教师 叶喜葱老师
完成日期 2015 年 1 月 1 日
A356铝合金在无约束成型时宏微/观缩孔分布的模拟
Hossein Bayani, Seyed Mohammad Hossein Mirbagheri, Mojtaba Barzegari,Sadegh Firoozi
德黑兰，伊朗部采矿和冶金工程Amirkabir技术大学
2013年5月20日收到，2013年10月17日收到修订稿，2013年2月11号接受
：在牛顿粘体的传热条件下，A356铝合金以随机分布的等轴树突形式凝固。【摘要】
利用达西定律可以描述枝晶间的液体流动性和渗透性参数，并可用于预测合金的微观收缩。此项研究中的枝晶间中的形核和晶粒生长液流是在1mm×1mm区域中进行模拟的。温度梯度在初始条件为零的无约束凝固。数值模拟过程包括两个阶段首先使用一种新的元胞自动机有限体积（CA-FV）方法的过程在形状，数量，大小，和树突的分布凝固的数值模拟，然后，通过动力学（CFD）技术计算流体对微渗透性数值判定。根据临界渗透率对雷诺数，冷却速度，和凝固速率的影响进行研究，以推测缩孔缩松的发生。结果表明，在蠕动流范围内，且微渗透性不受约束凝固过程中，有可能提出一种数学模型来关联雷诺数和液体流速。
【关键词】:计算流体力学，蠕动流，雷诺数，无约束凝固，微渗透性，形核，生长。
1简介：
合金凝固过程中先后发生形核和晶粒的生长，因此，在此期间确定了晶粒的数量，尺寸，分布和形貌。在快速凝固的情况下，效果更加明显。在凝固过程中，微缺陷如微偏析，微孔隙率和微收缩斗形成于晶枝多孔介质（糊状区）空间中。液体流入糊状区的能力被称为树枝状结晶间液体的渗透性。因此，微缺陷的形成是由渗透性因子的影响。在一些研究中，微/宏凝固模型已经运通基于通透因子模拟达西定律[1-4]。
为获得一个渗透率作为多空隙率的函数，一般会认为流经一个理想几何介质，因为它是切实际的求解复杂流颗粒间[5-7]的流动方程，斯托克斯渗透率分析流经气瓶定期阵列是由Sangani完成和Acrivos[8]，Sparrow和Loefler[9]，以及Larson和Higdon[10]。
压力下降驱动液体流动是一个雷诺数函数。几位作者分别用雷诺数函数的三个范围，低中高计算通过液体定期流动阵列的雷诺数[11-20]。特别重要的是Koch和Ladd[11]在微渗透和曳力使用一个晶格玻尔兹曼雷诺数作为基础的建模的工作。McCartney在微渗透低雷诺数可达150格子气元包自动机（LGCA）模型的计算也是很重要的。
这些模型在糊状合金凝固树突列阵数学模型中都有重要的应用。合金凝固过程中渗
透性有许多的研究和测试[21-27]。然而，实验的目的是测试渗透性和温度在合金凝固过程中对渗透率和固体组分的关系[27]。
Piwonka，Flemings[28]和Apelian[24]等，以及Streat，Weinberg[21]和Liu[29]，Murkaami[23]等，都报道过等轴枝晶结构的渗透性。Ganesan和Poirier[4]以及Poirier和Ocansey[25]在Kozeny-Carman模型的基础上测定并且报道过渗透性在固体特定区域长度尺寸的等轴微观结构的反函数。Brown[30]等人，开发了一个数学模型从3维角度去仿真AL13Cu3Si合金的等轴枝晶的流经去确定在凝固过程结构对渗透性的影响。他们模拟出等轴枝晶的演变并且使用FCD达西定律程序计算出渗透性。Madison等人，开发了一个3D渗透率模型在一个有限的区域内对凝固评估和实验结果模拟。
尽管在这一领域有了这些宝贵的贡献，但测定树突状结构的渗透性和由枝晶复合引起的微观收缩仍是停留在数学和实验方法的两个领域的难题。这显示出渗透性在于临界范围的微观收缩。
在本文中，一种新的数学模型将用来介绍用判定液体流在凝固前的液滴的一小部分或者晶胞树突状固体网络的微渗透性，在牛顿热力学条件下。此模型有5个阶段；阶段1使用CA-FV方法的等轴晶的生长和核的数值模拟，阶段2，使用CFD方法对晶枝间液态合金微液体流动的数值模拟，阶段3，基于达西定律计利用CFD编码得出的压力和速度计算微渗透性，阶段4，在各种情况下通过神经网格的计算预测微渗透性，阶段5，在2D领域下的微空隙度的预测。这些结果可以用于为一个商业铸造代码中，预测微缺陷，例如缩孔或微偏析。事实上，在凝固数值模拟代码中，本模型可以用于所有基于临界范围系列微渗透性啮合相邻于固液界面作为细多空边界层。
2计算模型和假设
在目前的工作中，两个独立的计算模型成核/晶粒生长和树枝状结晶间液体流动已经开发并耦合用于预测微渗透性的有效参数和有效表征在2D区的对称域中。这些都是通过组合子模型来实现的。一个是CA-FV的计算，另一个是通过采用CFD模型对枝晶间微流体计算微渗透性。在下一节将详细描述该方程。以下是重要假设： （1）对于在凝固过程中微西结构域的边界层在液体固体界面的引入。 （2）边界层中的温度梯度是等于零。
（3）在液体假面的热传递是基于牛顿热力学。
（4）在冷却形核之前整个边界层是恒定的，并且形核后稳定由于固液界面凝固潜热的解放。
图1牛顿热力学条件下，围绕等轴晶核的温度分布。
（5）形核在边界层完全等轴。
（6）热传导和凝固在横向方向上边界层的假设为2维的，因为围绕每个晶粒的边界层非
常薄。
2.1 形核和晶粒长大码
2.1.1 方程和解决方法
形核和晶粒生长已经被开发出来了，本文是基于CA模型[32,33]，他是一个不受约束的醒核和晶粒长大的。该模型的方法包括：(1)随机形核速率基于局部下的冷却，和（2）晶核生长的基础上的斜率局部温度[34,35]。然而，在本工作中，为二元合金系统中的糊状区，假定晶粒的生长没有构成过冷条件，核的数量，分布，形态和生长速率都由过冷热和他的衍生物控制，这是由牛顿热传导形成的2维空间。在这种条件下开始的时候所有的液体具有相同的过冷度，即，在型核前过冷却梯度或者液体温度斜率为零。如图1，一旦形核发生后，由于潜热的释放周围细胞核温度升高，因此，晶粒周围的局部温度梯度在形核后下降。
凝固后，凝固合金的微观结构将包括等轴晶粒，无柱状晶粒。因此，在本调查中基于无约束凝固和牛顿热传导以及无微偏析情况下，对A356糊状合金模拟1mm*1mm域初始和边界条件的液体流动热传导。 （i）热传导方程
该糊状的热传导方程可写为：
?Cp?f?T?k?2T???Hfs ?t?t（1）
