[发明专利]一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法

权利要求书

1.一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立微观组织模拟枝晶生长的相场模型；

步骤2：设置相场模拟的初始条件以及划分网格，若为柱状晶模拟，初始条件为计算域底部设置薄固相层；若为单个等轴晶模拟，则在计算域中心设置小的晶核；

步骤3：在相场中确定计算域的移动边界位置；

步骤4：在溶质场中确定计算域的移动边界位置；

步骤5：综合比较相场的移动边界和溶质场的移动边界，确定最终计算域边界；

步骤6：进行模拟计算，输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，步骤1中采用金兹堡-朗道理论建立相场模型，所述相场模型包括相场控制方程、浓度场控制方程和温度场控制方程，在相场控制方程中，引入序参量φ来表征材料的固液状态，在固相中φ＝1，在液相中φ＝-1，在界面上从-1到+1连续变化，浓度场通过无量纲浓度U来表达，其中，c为溶质浓度，c_∞为远离界面无穷远处的浓度，k为溶质分配系数；

浓度场控制方程为：

其中，D为溶质扩散系数；

t为时间；

在模拟柱状晶时温度场控制方程为：

其中，T(z,t)为温度场分布；

T₀为参考温度；

G为温度梯度；

Z为平行于枝晶生长方向的坐标值；

Z₀为参考点位置坐标值；

v_p为界面推进速度；

此时相场控制方程为：

其中，τ₀为弛豫时间系数；

l_T为热长度，l_T＝|m|(1-k)c₀/kG；

W为扩散界面宽度；

λ为耦合系数；

g′(φ)＝(1-φ²)²；

m为液相线斜率；

在模拟等轴晶生长时，整体处于过冷状态，温度场控制方程为：

其中，θ为无量纲过冷度，

T为温度；

T_m为合金熔点；

L为潜热；

c_p为比热；

κ为热扩散系数；

此时相场控制方程为：

其中，τ为弛豫时间，

r为各向异性强度；

为择优取向角度；

M为液相线斜率的标度大小，

3.根据权利要求1或2所述的一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，步骤2中，对于二维相场模拟初始计算域为矩形，在柱状晶模拟时移动边界为上边界，其他三个边界保持不变；在单个等轴晶模拟时，计算域的四个边界都为移动边界，移动边界随枝晶生长向外扩展。

4.根据权利要求3所述的一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，步骤3中，当序参量φ＜-0.999时便认为进入纯液相区，移动边界设置为φ＜-0.999并再向液相延伸10个网格的位置。

5.根据权利要求3所述的一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，步骤4中，溶质浓度场计算时移动边界的位置为溶质浓度c＜1.001c_∞，并再向液相中延伸10个网格的位置。

6.根据权利要求3所述的一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，其特征在于，步骤5中，比较步骤3和步骤4所确定的移动边界的位置，选取同时满足相场和浓度场条件的移动边界作为自适应计算域的移动边界。