[发明专利]一种预测液/液两相界面反应相变过程的数值模拟方法

说明书

本发明公开一种预测液/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‑液两相流的混合状态进行求解；步骤3，提取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总自由能泛函中的梯度项系数；步骤4，采用Cahn‑Hilliard和Allen‑Cahn方程分别对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规律。本发明有助于我们掌握两相界面反应动力学规律，为控制反应产物的尺寸分布、生产效率提供理论指导，为优化工艺奠定基础。

技术领域

本发明属于金属材料冶金过程工程技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明所采用的技术方案是：

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：

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。

本发明的特点还在于：

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：

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+∑_iη_i²。