[发明专利]一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法

说明书

本发明公开了一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，属于微观组织模拟领域，适用于采用相场法预测二元单相合金多枝晶在液相中存在平移和旋转的生长过程。该方法提出了不同时刻已碰撞的多个枝晶组成的固相颗粒在其内部发生重叠的过滤方法、同一时刻两个或多个固相颗粒在不同节点发生重叠的过滤方法、并行计算时在不同CPU中检测到的相同固相颗粒发生的碰撞的过滤方法、发生碰撞的多个枝晶的合并方法。采用本发明提出的碰撞检测和合并方法对具有2个柱状晶、4个等轴晶的方腔流计算域进行了并行试算，结果表明该方法可以高效准确地再现所有等轴晶在液态金属中发生的平移、旋转、碰撞和合并等行为。

技术领域

本发明提出的一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，属于微观组织模拟领域，适用于二元单相合金的多枝晶生长过程的相场法模拟，且适用于利用相场法模拟枝晶在考虑流动的液态金属中的平移、旋转运动。

背景技术

凝固过程微观组织模拟方法经历了确定性方法、随机性方法和直接模拟法的发展历程，随机性方法有蒙特卡洛方法、元胞自动机方法等；直接模拟方法有水平集方法和相场法等。相比于其余方法，相场法可以有效避免复杂的相界面跟踪，可以耦合凝固过程中的宏观和微观物理场，定量分析固液界面的曲率效应和动力学效应，再现晶粒内部的亚晶细节，因此成为预测微观组织演变的主流方法。

单相二元合金的相场法模拟技术已经逐渐成熟，其中被广泛采用的一种相场模型是Karma等人提出的QPF(Quantitative phase field)模型。该模型利用序参量Φ表征固、液相及界面，整个计算域中，Φ＝1的区域为固相，Φ＝-1的区域为液相，介于-1至1的区域为界面；该模型通过薄界面分析使界面层宽度的选取可以大于金属材料实际的界面厚度以提高模拟效率；又通过引入反溶质截留项克服了增加界面厚度所引起的溶质陷落现象。利用QPF模型模拟单晶生长可以取得良好的结果，而实际的金属凝固往往是众多枝晶同时形核和生长的过程。据此，有学者在单序参量QPF模型的基础上提出了一种多相场模型，该模型引入N个序参量Φ_n表征不同的晶粒，整个计算域中，Φ_n＝1的区域为第n个晶粒的固相，Φ_n全为-1的区域为液相，Φ_n介于-1至1的区域为界面，包括固-液界面和固-固界面；在固-固界面，该模型通过一个交互作用能项再现凝固过程中晶粒与晶粒之间的交互作用，可以预测液态金属中多个枝晶的形核生长，及枝晶靠近生长时固-固界面的相互作用。与此同时，又有学者发现：在枝晶生长过程中，液态金属中的流动对枝晶的长大存在明显的影响。经典的结论是：在具有自然对流的液态金属中生长的枝晶，其迎流侧的生长会得到促进而背流侧的生长受到抑制。据此，有学者在单序参量QPF模型的基础上提出了耦合流体流动的相场模型，该模型可以再现枝晶在自然对流或强制对流状态下的非对称生长，相比于不耦合流体流动的模型，它可以更真实地模拟枝晶生长。但这种模型只能模拟枝晶在对流流体中的静态生长过程，而实际的枝晶在具有流速的流体中或重力作用下会存在固相运动，即流体冲刷或重力作用会使枝晶在液相中发生平移或旋转。据此，又有学者基于耦合了流体流动的相场模型提出了耦合了枝晶运动的相场模型，并进一步将其与多相场模型结合，得到了一种耦合了流体流动和固相运动的薄界面定量多相场模型，该模型可以再现液态金属凝固过程中多个枝晶的形核、非对称生长、平移、旋转。