一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，包括步骤1，建立总自由能泛函；步骤2，对液

【技术实现步骤摘要】
一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于金属材料冶金过程工程
，涉及一种预测液/ 液两相界面反应相变过程的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]双熔体混合
‑
快速凝固技术是一种制备金属基复合材料的常用方法，固相增强相颗粒通过在液
‑
液两相界面上发生相变反应生成，这种方法制备的金属基复合材料具有增强体与基体间无杂质、无污染、颗粒分布均匀优点。然而，由于两相界面反应过程往往具有反应时间短、随机发生、温度高、熔体不透明、界面形貌不可控特点，导致实验方法预测界面反应动力学过程难度大，不同实验得出的结果相差大，且成本高，工序繁琐。对反应生成增强相的动力学规律认识的不足，进一步使我们不能精确控制影响材料性能的反应物数量、位置分布、尺寸分布技术指标。随着计算机技术的快速发展及相变理论的不断完善，采用数值模拟研究这一相变过程成为了可能，利用数值模拟技术可以定量的预测液/液两相界面反应相变动力学过程，分析不同工艺条件下新相的形核率、体积分数、尺寸分布信息，进而有效的指导生产实践。然而，目前未见相关数值模型及方法的报道。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的在于提供一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，包括自主构造能够描述界面反应的自由能密度函数，以及提出系统性的数值模拟解决方案，来弥补现有方法中实验过程难以观察其界面反应过程的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，采用朗道相变理论建立能够描述液
‑
液两相共存以及液
‑ꢀ
液
‑
固三相共存的总自由能泛函；
[0007]步骤2，采用多相流模拟软件对不同条件下液
‑
液两相流的混合状态进行求解；
[0008]步骤3，提取步骤2中两相界面形貌及溶质场分布情况作为数值模拟的初始条件，并提取步骤2中两相界面厚度来拟合步骤1总自由能泛函中的梯度项系数；
[0009]步骤4，将步骤3中的初始条件作为求解输入采用Cahn
‑
Hilliard 和Allen
‑
Cahn方程分别对步骤1泛函中反映元素分布的成分场及反映固
‑
液相的序参量场进行求解；
[0010]步骤5，计算结果可视化得到界面反应动力学动态过程，提取新相形核率、尺寸分布特征来分析反应动力学规律。
[0011]本专利技术的特点还在于：
[0012]步骤1的总自由能泛函为，
[0013][0014]其中，F表示总自由能泛函，c为特征元素的浓度，η
i
是第i个晶粒的序参量场，k
c
，k
η
为梯度项系数，f(c,η1,η2,...,η
n
)为自由能密度函数，f(c,η1,η2,...,η
n
)的计算公式为：
[0015][0016]其中，ΔH
m
为结晶潜热，ΔT为过冷度，T
m
为理论结晶温度，w，ε为常数，m(η)是浓度场与序参量场的关联函数，m(η)＝1+∑
i
η
i2
。
[0017]步骤1中自由能密度函数中包含高斯形式的插值函数计算公式为：
[0018][0019]式中，c0为反应所得固相中特征元素的摩尔分数，通过引入该函数来实现液
‑
液
‑
固三相共存以及实现生成特定化学比晶体的两相相界相变过程。
[0020]步骤2具体方法为：通过多相流软件包对不同两相比例、流速、混合条件、温度条件下的液
‑
液两相流的混合状态进行求解，并输出包含相分布、溶质场分布的数值文件。
[0021]步骤3的具体方法为：
[0022]选定生成固相中任意一种元素作为特征元素，依据两相中特征元素的含量差异来通过溶质场获得两相分布情况及两相界面形貌，对两相中特征元素含量做归一化处理得到一个新成分场，通过文件读取该成分场作为初始条件。
[0023]通过可视化软件结合溶质场的坐标分布来提取液
‑
液两相间的溶质层厚度w，依据关系来确定总自由能泛函中梯度项系数。
[0024]步骤4中，利用Allen
‑
Cahn方程对液固相变过程进行求解，公式为：
[0025][0026]式中t为演化时间，L为动力学系数，ξ
η
表示序参量场的噪声项。
[0027]采用Cahn
‑
Hilliard方程对浓度场进行求解，公式为：
[0028][0029]式中M
c
是与成分相关的动力学系数，M
c
＝A+Bc2，其中A、B 为常数用来反映特征元素在两个液相中扩散系数的差异。ξ
c
表示浓度场的噪声项，噪声为有色噪声。
[0030]本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术提供的方法运用模拟计算方法对液/液两相界面反应相变过程进行了预测及分析研究，这对于控制新相反应速率、调控新相体积分数、尺寸及位置分布，进而调控材料微观组织形貌及优化材料性能具有重要意义。
[0032]本专利技术可用于不同条件下，例如：(过冷度、混合状态、两相比例、外界扰动)涉及这类反应相变动力学过程的预测，是一种可拓展应用于冶金、材料、化工、生物医药多领域液/ 液两相界面反应相变过程预测的方法。
[0033]本专利技术具有很好的拓展性，适用于大部分常规工艺条件下液/液两相界面反应过
程，且可方便拓展至化工、生物医药多领域涉及这一反应的动力学过程预测。
[0034]与实验观测方法相比，本专利技术提供的方法可大大减少人力物力成本的同时，还可以原位观察界面反应的动态演化过程，这对精确调控相变过程具有重要的实践意义。
附图说明
[0035]图1是本专利技术一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法的流程图；
[0036]图2是本专利技术实施例1中步骤2及3中提取的一种典型的液/液两相界面形貌及归一化处理后的浓度场分布图；
[0037]图3是本专利技术实施例1中实施步骤5中可视化后的界面反应相变过程；
[0038]图4是本专利技术实施例1中实施步骤5中不同曲率条件下新相尺寸分布曲线；
[0039]图5是本专利技术实施例1中实施步骤5中不同曲率条件下新相形核率分析结果。
具体实施方式
[0040]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0041]本专利技术一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，如图1，包括以下步骤：
[0042]步骤1，采用朗道相变理论建立能够描述液
‑
液两相共存以及液
‑ꢀ
液
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，采用朗道相变理论建立能够描述液
‑
液两相共存以及液
‑
液
‑
固三相共存的总自由能泛函；步骤2，采用多相流模拟软件对不同条件下液
‑
液两相流的混合状态进行求解；步骤3，提取步骤2中两相界面形貌及溶质场分布情况作为数值模拟的初始条件，并提取步骤2中两相界面厚度来拟合步骤1总自由能泛函中的梯度项系数；步骤4，将步骤3中的初始条件作为求解输入采用Cahn
‑
Hilliard和Allen
‑
Cahn方程分别对步骤1泛函中反映元素分布的成分场及反映固
‑
液相的序参量场进行求解；步骤5，计算结果可视化得到界面反应动力学动态过程，提取新相形核率、尺寸分布特征来分析反应动力学规律。2.根据权利要求1所述预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤1的总自由能泛函为，其中，F表示总自由能泛函，c为特征元素的浓度，η
i
是第i个晶粒的序参量场，k
c
，k
η
为梯度项系数，f(c,η1,η2,...,η
n
)为自由能密度函数，f(c,η1,η2,...,η
n
)的计算公式为：)的计算公式为：其中，ΔH
m
为结晶潜热，ΔT为过冷度，T
m
为理论结晶温度，w，ε为常数，m(η)是浓度场与序参量场的关联函数，m(η)＝1+∑
i
η
i2
。3.根据权利要求2所述预测液/液两相界面...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭灿，张一弛，康晨瑞，梁淑华，徐春杰，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：