二维模型模拟枝晶生长：强制与自然对流下的LBM研究

"本文主要介绍了使用格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）进行强制对流和自然对流作用下合金凝固过程中枝晶生长的数值模拟研究。作者团队来自东南大学江苏省先进金属材料高技术研究重点实验室，包括孙东科、朱鸣芳、杨朝蓉、潘诗琰和戴挺。他们建立的二维模型通过LBM解决传输现象，以替代传统的基于Navier-Stokes（NS）方程的流场计算方法。模型采用了三组粒子分布函数来分别处理流场、浓度场和温度场。通过LBM演化方程计算固/液界面前沿的浓度和温度，进而利用Zhu和Stefanescu的溶质平衡方法确定枝晶生长驱动力。模拟结果与理论预测以及基于NS方程的ZS-NS模型进行了对比，显示出较好的一致性和更高的数值稳定性及计算效率。" 本文的核心知识点如下： 1. **格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）**：这是一种基于分子动理论的数值方法，常用于模拟流体流动和传热问题。在本文中，LBM被用来模拟合金凝固过程中的流场、浓度场和温度场，提供了一种不同于传统Navier-Stokes方程的计算手段。 2. **枝晶生长模拟**：枝晶生长是金属凝固过程中的关键现象，其形态直接影响到材料的微观结构和性能。文章通过LBM模型研究了强制对流和自然对流两种条件下枝晶生长的行为。 3. **强制对流与自然对流**：强制对流是由外部机械力驱动的流体流动，而自然对流则是由于温度差异引起的流体流动。两者都会影响合金凝固时的溶质分布和枝晶形态。 4. **粒子分布函数**：在LBM中，使用三组粒子分布函数分别处理流场、浓度场和温度场，这是LBM模型的核心组成部分。 5. **固/液界面浓度和温度分布**：通过求解LBM演化方程，可以得到固/液界面上的溶质浓度和温度分布，这对于理解枝晶生长的动力学至关重要。 6. **Zhu和Stefanescu的溶质平衡方法**：这是一种用于计算枝晶生长驱动力的理论方法，文中用此方法结合LBM模拟结果，分析枝晶生长的动态过程。 7. **数值模型验证**：模拟结果与Oseen-Ivantsov解析解（强制对流）和修正的Lipton-Glicksman-Kurz（LGK）模型（自然对流）进行了比较，证明了模型的准确性。 8. **ZS-NS模型对比**：LBM模型与基于NS方程的ZS-NS模型比较，显示了前者在数值稳定性和计算效率上的优势，尤其是在处理固、液两相问题时。 9. **金属凝固过程的影响因素**：文中指出熔体对流对最终凝固组织特别是枝晶形貌有着显著影响，这也是研究的重要背景。 10. **模拟方法的发展**：近年来，如相场法、水平集法和元胞自动机法等模拟方法已被用于研究枝晶生长，但LBM在处理多物理场耦合问题上具有独特优势。 11. **关键词**：微观组织模拟、枝晶生长、对流、格子玻尔兹曼方法，这些关键词概括了研究的主要领域和技术手段。 12. **应用领域**：该研究对于理解和控制金属材料制造过程中的微观组织形成，以及优化材料性能具有重要意义。