Fluent凝固与融化模型模拟教程

设置程序

凝固/融化问题的设置步骤如下所述。（请注意，此过程仅包括凝固/融化模型本身所必需的步骤；您将需要像往常一样设置其他模型、边界条件等。）

1.若要使用凝固/融化模型，请在“凝固和融化”对话框中启用“凝固/融化”选项

  Setup →  Models → Solidification & Melting Edit...

   图1 凝固与融化模型面板
 

  ANSYS fluent将自动启用能量方程，因此在打开凝固/融化模型之前不必访问“能量”对话框

2.在“参数”下，将糊状区参数 (Mushy Zone Parameter)（在等式1中的值指定为常数或用户定义的函数。

   等式1动量方程
 

  对于大多数计算，建议值介于10000和10000000之间。糊状区参数值越高，阻尼曲线越陡，当材料凝固时，速度降到零的速度越快，当控制体积交替凝固和熔化时，大的数值可能导致溶液振荡，而液体体积分数的扰动很小。

3.如果要在模拟中包括拉速（如理论指南中的动量方程和连铸拉速中所述）请在“参数”下启用“包括拉速（Include Pull Velocities）”选项

  理论指南中动量方程

  焓孔技术将糊状区域（部分凝固区域）视为多孔介质。每个单元中的孔隙率设置为等于该单元中的液体分数。在完全凝固的区域，孔隙率等于零，这就熄灭了这些区域的速度。

   等式1动量方程
 

  其中β是液体体积分数，是防止除以零的一个小数值（0.001），是糊状区常数，是由于将固化材料拉出域而产生的固体速度（也称为拉速）糊状区常数测量阻尼的振幅；该值越高，材料凝固时速度向零的转变越快。非常大的值可能导致溶液振荡。在连续铸造过程中，拉坯速度被包括在内，这是由于固化材料从域中连续撤回的缘故。在等式1中，这个术语的存在允许新的固化材料在拉速下移动。如果固化的材料没有被从域中拉出来。关于拉速的更多细节在连铸拉速中提供。

  理论指南中连铸拉速

  在连铸过程中，凝固物通常是从计算域中连续抽出的，如下图所示：在连铸过程中“抽出”固体。因此，固体材料将有一个有限的速度，必须在焓-孔隙度技术中加以考虑。

   图2 连铸过程中抽出固体
 

如动量方程所述，焓孔隙率法将固液两相区视为多孔介质，其孔隙率等于液体分数。在动量方程中加入一个合适的下沉项来解释由于糊状区多孔结构引起的压降。对于连铸应用，熔融液体和固体之间的相对速度用于动量汇项（等式1）而不是液体的绝对速度固体材料拉拔速度的精确计算取决于固体的杨氏模量、泊松比和作用在固体上的力。ANSYS fluent根据凝固区边界处的速度，利用laplacian方程来近似计算凝固区的拉速。

   等式2
 

在计算拉速时，ANSYS fluent使用以下边界条件。

•在速度入口、固定壁或移动壁处，使用规定的速度。

•在所有其他边界（包括液体和固化材料之间的液固界面），使用零梯度速度。

4.如果包含拉速，并且希望ANSYS fluent根据指定的速度边界条件计算它们（使用等式2），如理论指南中连铸拉速所述，启用“计算拉动速度（ Compute Pull Velocities）”选项并指定每次拉动速度迭代的流迭代次数重要的是，没有必要让ANSYS fluent计算拉速。有关其他方法的信息，请参见连铸建模程序。

重要的是“每次拉动速度迭代的流迭代次数（Flow Iterations Per Pull Velocity Iteration）”的默认值为1，表示每次迭代求解器后都将求解拉动速度方程。如果增加这个值，拉速方程的求解频率就会降低。如果液体分数方程几乎收敛（即，液固界面的位置变化不大，这将加快计算速度，但当拉速更新时，残余物可能会跳跃。

5.在“选项”下，选择“杠杆规则（ Lever Rule）”或“scheil规则 （Scheil Rule）”。有关详细信息，请参见《理论指南》中的物种方程

重要信息：只有在“物种模型”对话框中启用“物种传输”时，“杠杆规则”和“scheil规则”选项才可用

6。如果选择scheil规则，则可以启用反向扩散。输入常量或用户定义的函数以指定反向扩散参数的值（在等式3中）scheil规则假定固体区域内溶质扩散为零，而lever规则假定固体中溶质扩散为无穷大。反向扩散利用0（无扩散，如scheil规则）和1（无限扩散，如杠杆规则）之间的无量纲参数（表示为）在微观水平上建立有限固体扩散模型。通常取决于凝固条件，如固体扩散率、局部凝固时间和二次枝晶臂间距。界面温度计算如下：

   等式3
 

注意，back diffusion参数的值必须介于0和1之间。

7.在“创建/编辑材料”对话框（图3：用于熔化和凝固的“创建/编辑材料”对话框）中，为模型中使用的材料指定纯溶剂熔化热、固相线温度和液相线温度。

   图3  熔化和凝固的“创建/编辑材料
 

如果要求解物种迁移，则需要指定混合物的特性，包括计算固体温度和液体温度的方法。默认方法是混合定律。其中，固相线温度和液相线温度由为每种溶质提供的参数（如液相线的斜率或分配系数）计算得出。但是，可以使用define_property类型的用户定义函数来指定这两种温度。

重要的是：强烈建议您使用相同的方法来指定固相线温度和液相线温度定义混合物时，还应指定质量扩散系数和共晶温度。以及纯溶剂熔化热和纯溶剂熔化温度。请注意，溶剂是“种类”对话框中“选定种类”下列出的最后一个种类。

对于每种溶质，必须指定液相线相对于溶质浓度、分配系数、共晶质量分数的斜率。如果在“凝固和熔化”对话框中选择了“杠杆法则”，则为固体中的扩散系数。无需为溶剂指定和。

8.设置边界条件

Setup →  Boundary Conditions

除通常的边界条件外，还应考虑以下条件

•如果你想解释墙和相邻固化区域之间是否存在气隙（如理论指南中墙接触电阻所述），请指定非零值，轮廓，或“墙”对话框中热条件下接触电阻的用户定义函数。

•如果要指定表面张力相对于墙边界温度的梯度，可以将marangoni应力选项用于墙剪切力条件。详情见Marangoni应力。

•如果希望ANSYS fluent在计算过程中计算拉速，请注意在计算中如何使用指定的速度条件

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