软件X 18（2022）101065原始软件出版物beamWeldFoam：高能量密度熔化和蒸发诱导过程的数值模拟Thomas F.[10]杨伟，李伟.史密斯答：菲利普·加的夫ba英国曼彻斯特大学道尔顿核研究所b爱尔兰都柏林大学学院SFI先进制造研究中心I-Formar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年11月1日收到收到修订版，2022年1月19日接受，2022年保留字：先进制造流体体积传热OpenFOAM状态转换a b st ra ct众所周知，高能量密度的先进制造工艺，如功率束焊接和增材制造，很难模拟。这些过程在其各自的（通常是金属的）基质中引发聚变和汽化，状态转变，在难以置信的短时间尺度上产生复杂的金属流动。为了对这样的过程进行数学建模，需要描述动量守恒、能量守恒的方程，以及描述必须考虑金属基底界面的影响。在这项工作中，我们提出了beamWeldFoam，OpenFOAM求解器能够模拟这些高能量密度的先进制造工艺。在beamWeldFoam中，金属基底和保护气体相被视为不可压缩的。忽略了由于蒸发状态转变引起的体积膨胀，而是使用现象学反冲压力项来捕获由于蒸发事件对动量和能量场的贡献。beamWeldFoam在GNU通用公共许可证下发布，其源代码可在Github上获得。Crown版权所有©2022由Elsevier B.V.发布这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的存储库https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00212法律代码许可证GNU GPL V3使用git的代码版本控制系统使用的语言、工具和服务C++、C、MPI、GNU Make需求，环境依赖OpenFOAM-v6问题支持电子邮件thomas. manchester.ac.ukgowthaman. ucdconnect.ie1. 动机和意义在先进制造工艺中使用的热源的高能量密度性质，例如电弧焊接、电子束焊接、激光烧结（在许多其他工艺中），导致局部熔化，并且在功率密度足够的情况下，导致金属基底的汽化[1，2]。由热源产生的蒸气柱被称为热毛细现象，或者叫热毛细结构*通讯作者。电子邮件地址：Thomas. manchester.ac.uk（Thomas F.Flint），gowthaman.ucdconnect.ie（Gowthaman Pariffahan）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101065所产生的应力通常是不稳定的，并且通过在材料蒸发时产生的反冲力、重力效应以及液态金属和气态/金属蒸气相之间的表面张力效应之间的平衡来维持[3材料在其熔融和汽化状态下的流体动力学最终决定了最终固态的结构，因此理解与金属粉末基质熔融和汽化相关的复杂传热和传质至关重要[6可以明确地模拟这些复杂的蒸汽-流体动力学：最近提出了一种方法来解释明确的体积变化和相关的反冲效应， 这些蒸发和冷凝事件[11];而这2352-7110/Crown版权所有©2022由Elsevier B. V.出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxThomas F. Flint，Gowthaman Parikhan，Alojz Ivankovic等.软件X 18（2022）1010652（）p +·−·=+ph+DTvDT文件夹：提供了最高保真度的建模方法，但是这种方法的计算成本是过高的。为了计算的易处理性，可以假设相是不可压缩的，在蒸发过程中没有特定的体积变化，然后在动量方程中包括一个现象学的反冲压力项来表示反冲物理[12]。在这种方法中，忽略了显式的蒸汽动力学，因此过程的描述不像其他方法那样严格-其中[11]。然而，作者发现，通过忽略蒸汽动力学而代之以使用唯象反冲压力项所获得的结果适用于大多数过程模拟，并且预测了诸如功率束应用中的热毛细进展率等重要现象。在这项工作中，我们提出了beamWeldFoam，一个细胞为中心的有限体积求解器能够模拟先进的bracing- ing过程，涉及融合和vapourisation状态转换，其中考虑了vapourisation的现象学反冲描述除了是第一个包含 与 高 能 量 密 度 制 造 工 艺 相 关 的 物 理 学 的 开 源 实 现 外 ，beamWeldFoam还包含一个多功能热源描述，包括光束膨胀，可用于模拟各种光束焊接工艺。该求解器是使用OpenFOAM库编写的，用于求解控制方程，并且可以被视为interFoam求解器的扩展，增加了：能量传输方程、熔化潜热、汽化潜热、反冲压力表面力、表面张力（Marangoni）力的温度依赖性以及先进制造热源的实际实现。在本文的其余部分，我们将描述beamWeldFoam的仿真功能，然后再详细介绍该软件。然后，我们提供了说明性的例子，使用beamWeldFoam的共同验证的情况下，以及现实世界的先进制造应用程序的形式，3-D电子束焊接模拟和电弧焊接模拟。 最后，我们讨论了beamWeldFoam求解器对建模和仿真社区的潜在用途和影响。2. 模型描述为了直观地描述复杂的状态转换过程，beamWeldFoam以耦合方式求解描述动量、质量和能量守恒的方程（即Navier-StokesbeamWeldFoam背后的数学框架将被简要描述，更完整的描述可在其他地方获得[2，7，11]。当量（1）描述了系统中的线性动量守恒[13，14]。（ρU）t+其中U是速度，ρ是质量密度，P是流体压力，τ是归因于动力粘度的粘性应力张量。各种额外的源项存在于Eq. （一个）捕捉重要的物理现象Sm是Carmen-Kozeny汇项，它使完全充满固体的单元中的速度降为零。 Fg通过Boussinesq近似描述浮力。Fs描述表面力（表面张力及其对温度的依赖性和由于蒸发产生的反冲力），并给出为：F s=[（ σ κ+P ） n<$+dσ （ <$T− （ n<$·<$T ） n<$ ） ]|∇α|（二）张力梯度假设域中的所有相是不可压缩的，因此，对速度场的无发散规定用于封闭系统，如方程所示（三）、·U=0（3）采用流体体积方法，使用基于体积分数的指示函数α来跟踪金属界面，α表示金属相的体积分数∂αt+最后，Eq。（5）描述了计算域中的能量守恒：C TUρc T（k T）q S （5）阿勒特其中CP和K分别是多相混合物的比热和热导率。Sh捕获由于衬底中的熔化和汽化状态转变而引起的潜热效应。Q是用于描述在该过程中输入到金属表面的热量的热源，例如激光束或电子束。当两相之间存在较大的密度差时，有时对表面力进行加权是有益的通过系数2ρ/（ρ1ρ2），可在beamWeldFoam中选择此加权选项。简洁的求解算法如图所示。1.一、3. 软件描述beamWeldFoam是在GNU通用公共许可证下发布的自由软件，并针对OpenFOAM-v6（和ESI版本）库进行编译，因此Linux OS发行版是首选。然而，beamWeldFoam将在任何安装了OpenFOAM-v6库的系统上编译该代码旨在用于需要高能量密度热源引起的热响应的应用中，例如粉末床增材制造过程的模拟或焊接过程模拟。代码是用C++编写的，在存储库中有一系列验证案例和说明性示例;随着框架的进一步发展，这些示例将通过社区添加和作者的贡献而beamWeldFoam开发期间的每个提交都要经过开发分支中的代码审查、数学审查和回归beamWeldFoam使用消息传递接口（MPI）框架完全可并行化预计beamWeldFoam用户将希望申请他们感兴趣的问题的框架最简单的方法是将其中一个示例复制到新目录，修改域描述文件，然后在新情况下运行beamWeldFoam求解器要使用beamWeldFoam执行仿真（在针对OpenFOAM库编译求解器之后），必须执行以下步骤：• 导航到文件夹（例如tutorials/GalliumMeltingCase）。• 删除所有以前的模拟文件$>rm-r0*procesor*• 将边界和初始条件复制到初始时间哪里 σ是 的 表面 张力， K是 的 曲率， P v 是$>cp-rinitial/0/反冲压力，nσ是界面法线，dσ是表面Thomas F. Flint，Gowthaman Parikhan，Alojz Ivankovic等.软件X 18（2022）1010653+图1.一、在beamWeldFoam中采用的求解算法。• 解决问题：$>blockMesh• 设置初始条件：$>setFields• 运行求解器：–将问题分解为所需数量的子域（仅在并行运行时需要）：\$>decomposePar执行案件\$>mpirun. openmpi-np6beamWeldFoam-parallel>log&–执行案件\$>beamWeldFoam• 输出将写入同一目录。请注意，温度、金属体积分数（α）、速度和压力场的边界和初始条件都可以在任何模拟之前在初始/* 文件中编辑运行.关于网格划分、分解、现场操作等的更多细节可以在OpenFOAM文档中找到。选择OpenFOAM框架是因为它是开源的，高度并行的，在学术界和工业界广泛使用和验证活跃在诸如cfd-online.com这样的网络论坛上的充满活力的研究人员社区是使用OpenFOAM框架的额外激励。如前所述，beamWeldFoam是并行的，Open-FOAM提供了几个选项来将仿真域分解为子域，例如简单的，分层的，metis和manual。表面力加权函数2 ρ/（ρ1ρ2）可以通过damperSwitch参数访问，例如damper- Switch true;。3.1. 热源建模求解器可以使用非结构化网格进行任何模拟，而无需热源项q。然而，热源模型的当前实现仅限于笛卡尔的、完全结构化的网格。为了避免由于分解而导致的热源实施中的任何潜在误差，建议不要沿着光束的方向分割域。在beamWeldFoam中，表面高斯分布应用于基底。热源应用算法利用沿激光/电子束路径的一阶射线跟踪方法（在beamWeldFoam中，光束方向设置为正y轴）。确定应用此分布的位置的代码分别位于uniqueX. H和Divergin-gOscillatingGaussian. H中;其中前一个文件初始化一阶射线跟踪算法中使用的阵列，后者找到金属界面并基于发散高斯分布计算热强度[15]。在这种方法中，在每个时间步，为每列单元找到最低值的y的金属相的量低于一定的阈值。以这种方式，有效地找到域衬底的顶表面，并且可以模拟具有高度复杂拓扑结构的衬底（例如，在域内具有空隙/气泡的衬底），并且热源将被正确地施加到衬底的顶表面。基板。此外，beamWeldFoam中的热源是通用的，并且具有代表电子束和激光焊接应用中的束行为的特征;即束的发散性质（已知电子之间的排斥导致束发散，产生沙漏形束包络）和焊接过程中经常使用的振荡模式。光束热源的发散性质在数学上被描述为高斯分布的半径是深度坐标的函数。图图2显示了在这项工作中使用的热源包络的类型，以及通过使用射线跟踪算法找到的表面热源的位置beamWeldFoam中使用的热源参数在每个教程子文件夹中的system/fvSolution文件中指定由于所提供的热源的灵活性，必须设置各种参数表1概述了各种在这项工作中的热源模型中使用的参数。∗Thomas F. Flint，Gowthaman Parikhan，Alojz Ivankovic等.软件X 18（2022）1010654===-=表1BeamWeldFoam热源应用模型中使用的参数。参数物理意义HS_a光束焦点处的热源半径（m）HS_bgx轴热源偏移（m）HS_velocity热源移动速度（m s−1）HS_Q热源总热输入（W）HS_deposition_cutoff热源应用阈值截止振荡_振幅热源振荡的振幅（圆）（m）振荡_频率 热源振荡频率（Hz）focY沿y轴的Y_R热源发散特性foc_shift_velt t移动后的焦点移动速率（m s−1）Q_ramp_ratett移位后的功率下降率（W s−1）tshift发生热源熄灭的时间（s）图二. 发散高斯热源包络和表面分布在金属基板上，发现使用热源应用算法。注意，对于完全准直光束的生成，其中不存在沙漏包络，可以通过将Y_R参数设置为某个大值（例如10）来实现。当Y_R接近零时，光束特性在本质上变得更加在求解器的输出中，热源包络可 以 通 过 “BeamProfile” 字 段 可 视 化 ， 并 且 可 以 可 视 化 所“sourceTerm”字段。确定热源应用的截止值的阈值是明确设置的。此值HS_deposition_cutoff指定在光线跟踪期间必须超过的α体积分数，以将单元指定为界面单元;建议使用0到0.5之间的值。4. 说明性实例为了证明beamWeldFoam求解器对相变现象的适用性，为用户提供了三个示例案例包括用于验证数值实现的两个常见验证案例，然后是先进制造工艺（功率束焊接）的代表性示例，其中beamWeldFoam用于预测基板演变。4.1. 熔镓箱涉及熔化和凝固的传热和传质的常用验证案例是封闭容器中镓熔化的模拟[16，17]。在该示例beamWeldFoam解算器用于模拟镓的熔化图图3示出了通过模拟在各个时间步长处的二维域。随着时间的推移，计算区域左侧的热壁会导致局部附近的镓熔化。随着熔体体积的增加，浮力驱动的流动开始占主导地位，热液体镓上升并产生涡流结构。预测的熔体分布与其他地方报道的数值和实验结果一致[18]。4.2. Sen和Davies Marangoni流动案例求解器的另一个有用的验证情况是，二维空腔部分填充有流体，使得相之间的界面最初是平坦的。这种情况可用于验证beamWeldFoam求解器中的表面张力实现及其对温度的依赖性。然后在整个域中形成温度梯度。由于表面张力对温度的依赖性，这种温度梯度引起了与界面相切的流动，称为马兰戈尼流（图1）。 4）.对于这种情况，存在自由表面变形的分析稳态解[19]，并且观察到beamWeldFoam求解器和分析解之间的良好一致性;分析解预测区域左右壁上的流体高度为0.188，0.213 m。使用beamWeldFoam，预测左壁和右壁流体高度分别为0.187和0.21 m，这比其他报告的数值实现更一致[20]。4.3. 弧焊案例在该实施例中，将表面热通量施加到被氩气包围的热源在t处施加0 s，并且在t 0. 25 s，功率开始斜降，直到t0。35当热源完全熄灭时。在热源消失后不久，磁畴完全凝固。在该示例中可以清楚地看到马兰戈尼驱动流的效果，因为表面流从较高温度的区域被驱动到较低温度的区域（由于表面张力随温度降低），如图5所示。此外，一旦焊接熔池已经完全穿透该域，表面张力防止材料从基底的底部掉出。4.4. 电子束焊接箱最后，应用beamWeldFoam软件对钛合金基体的电子束焊接进行了数值在这种情况下，Ti6Al4VThomas F. Flint，Gowthaman Parikhan，Alojz Ivankovic等.软件X 18（2022）1010655图三. 不同时刻熔融镓的自然对流与体积分数。浮力导致熔融镓上升并在区域内循环，产生复杂的熔融前沿。见图4。 Marangoni流情况下的温度和相体积分数分布。箭头描绘了由于温度依赖性的循环，表面张力（Marangoni流）。图五. 模拟电弧焊过程中熔池的演变。固体-液体边界以粉红色突出显示，速度矢量以灰度绘制。的影响可以看出表面张力的温度依赖性;当表面张力随温度降低时，在顶表面上诱导大的速度从热的中心到较冷的末端。模拟了激光束焊接的对接接头，并根据实验研究验证了结果[21]。模拟域由一个2 mm的Ti6Al4V板，氩气保护气体包围。激光沉积的能量使材料熔化。直接在光束下的液态金属的随后汽化产生反冲效应，将熔池推入基底中，从而产生穿过金属域的小孔。由于温度梯度的作用，熔化的材料从激光器上移开，如图所示。六、 该模型预测的焊缝宽度与实验结果吻合良好[21]。5. 影响和结论尽管在先进制造工艺的建模和模拟方面有研究，包括金属基底中复杂的流动物理和拓扑变化，开发的模型对研究界来说是不可访问的。在这项工作中，一个国家 的 最 先 进 的 模 型 开 发 ， 验 证 ， 并 提 供 给 研 究 人 员 。beamWeldFoam提供了一个强大的计算工具，通过它可以量化和预测复杂连接过程中的传热和传质beamWeldFoam针对熔化和表面流动问题的常见基准进行了验证。数值工具的可用性，能够准确地预测瞬态热场的金属基板，受到高能量密度热源，是至关重要的，以更好地了解这些过程中所涉及的此外，这种数字工具的可用性通过建模和仿真的工业环境。据预测，beamWeldFoam将允许焊接和连接社区的工业成员访问高保真预测，以直接洞察现实世界的连接问题。Thomas F. Flint，Gowthaman Parikhan，Alojz Ivankovic等.软件X 18（2022）1010656见图6。电源束焊接过程中的熔池演变。高能量密度导致热毛细管形成，其穿透域。由于蒸发界面的反冲，在这个“小孔”的局部会产生较大幅度的速度场beamWeldFoam是OpenFOAM领域的一部分，因此，预计求解器将进一步发展，包括额外的物理和社区建议。作者计划在未来发布多组件功能和竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认本手稿中的工作得到了工程和物理科学研究委员会（EPSRC）的支持，获得第二，第三和第五作者感谢I-Form的财政支持，由爱尔兰科学基金会（SFI）资助编号16/RC/3872，由欧洲区域发展基金和I-Form工业合作伙伴共同资助。第五位作者还感谢爱尔兰研究委员会通过获奖者计划（资助号IRCLA/2017/45，Bekaert）通过都柏林大学的Bekaert大学技术中心（UTC）提供的财政支持（www.ucd.ie/bekaert）。作者希望感谢DJEI/DES/SFI/HEA爱尔兰高端计算中心（ICHEC）提供的计算设施和支持。引用[1] Aucott L，Dong H，Mirihanage W，Atwood R，Kidess A，Gao S等人，揭示电弧焊接和金属增材制造中的内部流动行为。Nature Commun2018.[2] Courtois M，Carin M，Masson PL，Gaied S，Balabane M.激光焊接传热和流动模拟中小孔内激光多次反射的计算方法。J Phys D：Appl Phys 2013;46：505305.[3] 严伟，葛伟，钱勇，林松，周波，刘伟康，等。电子束选择性熔化中单/多径迹缺陷机制的多物理模拟。Acta Mater2017;134：324-33.[4] 清本瓦塔纳湾激光焊接过程中蒸气小孔和熔池动力学的模拟。生产工程2014;8（4）：499[5] 张文，张文，等.激光焊接技术的研究进展.机械工程学报，2000，24（1）：119 -119. 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