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基于BFC系统铸件充型过程数值模拟

赵建新  
【摘要】: 液态金属的充型过程是保证铸件质量的关键环节。铸件充型过程数值模拟对预测和控制铸件缺陷具有重要意义。本文以提高复杂曲面铸件充型过程的数值模拟精度和计算效率为目的,将适体坐标(Body-fitted Coordinate,简称BFC)技术应用于铸件充型流动过程的数值模拟,完成的主要工作如下: 为了与BFC方法进行比较,本文首先对二维直角坐标系统下的流场进行数值模拟。提出了一种简化的VOF法,根据流动惯性原理与连续性原理相结合的方法对流动域和自由表面随时间变化进行了分析计算。分析对比了直角坐标系统下SIMPLE-VOF法和SOLA-VOF法的特点。开发编制了基于交错网格的二维SIMPLE-VOF充型过程数值模拟程序,其模拟结果与文献上发表的结果基本吻合。对BFC网格生成技术进行了分析研究,对微分方程法的控制方程进行了详细的推导。对采用直接求解Laplace方程方法和Thomas-Middlecoff方法进行BFC网格剖分的分析和对比。结果表明Thomas-Middlecoff方法生成的BFC网格优于直接求解Laplace方程方法。 推导了二维BFC系统不可压缩动量方程的形式。对BFC系统下的交错网格与同位网格技术进行了分析对比。结果表明在BFC系统下采用同位网格比交错网格更有利。将所有变量存储在同一主节点上,选用笛卡尔速度分量作为动量方程的求解变量,为了避免“压力振荡”现象可采用“动量插值”法求解界面上的逆变速度分量。 本文对自由表面采用了以应力表示的动量方程形式计算,使得自由表面同样满足动量守恒。将直角坐标系统下的简化VOF方法应用于BFC系统,实现对BFC系统下自由表面随时间变化进行数值计算。 对BFC系统下SIMPLE-VOF法和SOLA-VOF法进行了比较,本文结果表明SIMPLE-VOF法在BFC系统下是可行的,而SOLA-VOF法则不适用于BFC系统。 推导了基于BFC系统的二维SIMPLE-VOF算法,开发编制了二维BFC-SIMPLE-VOF法程序对曲面形状铸件流场进行了模拟,并将模拟结果与基于直角坐标系的SIMPLE-VOF法的结果进行了比较。结果表明,BFC-SIMPLE-VOF方法在模拟复杂曲面区域的流场连续性方面要明显优于直角坐标系统的SIMPLE-VOF法,在保证计算精度相当时,采用BFC技术可节省大量的计算机内存和计算时间。


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