·106· 工程科学学报，第40卷，第1期 表面的高度差最大值明显小于无障碍充型，两次短 filling and heat transfer of anti-gravity thin-walled casting.J 暂增大幅度后者也小于前者.在t=6s后的动态平 Northuestern Polytech Univ,1997,15(3):327 衡状态中，前者自由表面一直处于10mm左右的高 (吕衣礼，杨根仓，周尧和.薄壁铸件反重力铸造充型和传热 度差值，而后者该值一直处于5mm左右.结合 的数值模拟研究.西北工业大学学报.1997,15(3)：327) [6]Li M E,Wang Y X,Lii Y L,et al.Numerical simulation of 3.3.2中无障碍和3.5.2中有障碍的流体线速度对 counter gravity filling pattems for thin plate casting.Spec Cast 比分析，前者自由表面线速度比后者大，高度差值进 Nonferrous Alloy,2000,12(2):45 一步说明了当有圆柱障碍物扰流时自由面更加平 (李梅娥，王友序，吕衣礼，等.薄板件反重力充型形态的数 整，说明圆柱障碍物在充型中有使流体更加平稳的 值模拟研究.特种铸造及有色合金，2000,12(2)：45) 作用. [7]Li R.Wang Y X,Yang G C.Numerical simulation for large thin- walled plate castings in counter-gravity mould filling.Spec Cast 3结论 Nonferrous Alloy,2003(3):12 (1)本文采用格子Boltzmann单相自由表面模 (李日，王友序，杨根仓.薄壁大平板铸件的反重力充型数值 模拟.特种铸造及有色合金，2003(3)：12) 型进行流场计算.针对此方法，提出了一种权重系 [8]Janssen C,Krafczyk M.A lattice Boltzmann approach for free-sur- 数重新分配的方法来处理液相分配.并用所建立的 face-flow simulations on non-uniform block structured grids.Com- 模型模拟了大平板反重力充型过程的流体流动过 put Math Appl,2010,59(7):2215 程.数值模拟结果与水力模拟实验结论的流场特征 [9]Tang B,Li J F,Wang T S.Single-phase lattice Boltzmann model 和流体形态吻合很好，证明了该模型可用于计算反 for free-surface flow.J Tsinghua Unir Sci Tech,2008,48(11 ) 重力充型的过程 2017 (2)对单浇口、双浇口和圆柱扰流条件下大平 (汤波，李俊峰，王天舒.带自由面流体运动的单相格子Bot- 板反重力充型流动过程的模拟结果表明，双浇口浇 mam方法模拟.清华大学学报（自然科学版），2008,48 (11):2017) 注时两浇道之间的互相影响会导致流体内部运动更 [10]Zhou Y,Guo J H,Chen H X.Lattice Boltzmann simulation of 加复杂，在两浇口之间形成了两个反向对称内涡流 tow liquid droplets impacting on a liquid film.Chin J Comput 区，且该涡流区和主涡流区都会被拉长并且一分为 Phs,2010,27(1):31 二.圆柱扰流时，在圆柱体上侧会形成障碍涡流区， (周轶，郭加宏，陈红勋.格子Boltzman方法模拟双液滴撞 会抑制主涡流区的扩散.有圆柱扰流与无圆柱扰流 击液膜的流动过程.计算物理，2010,27(1)：31) 相比，前者整体线速度更加均匀且自由表面高度差 [11]Han WJ,Yan K,Chu X S,et al.Influence factors to numerical 小，说明圆柱障碍物能明显改善充型流体的稳定性， simulation of splash flow based on LBM.J Ship Mech,2015,19 降低流体与壁面冲击产生的晃动幅度，使充型更加 (4):356 平稳. (韩文骥，颜开，褚学森，等.LBM方法数值模拟飞溅流动 的影响因素研究.船舶力学，2015,19(4)：356) 参考文献 [12]Attar E,Korner C.Lattice Boltzmann model for thermal free sur- face flows with liquid-solid phase transition.Int I Heat Fluid [1]Ginzburg I,Steiner K.Lattice Boltzmann model for free-surface Floc,2011,32(1):156 flow and its application to filling process in casting.J Comput [13]Schreiber M.Neumann P,Zimmer S,et al.Free-Surface Lat- Phys,2003,185(6):61 tice-Boltzmann simulation on many-core architectures.Proc Com- [2]Peng S Y,Chen LL,Zhang M Y,et al.Numerical simulation two put Sci,2011,4:984 phase flows of casting filling process using SOLA particle level set [14]Janssen C,Krafczyk M.A lattice Boltzmann approach for free- method.Appl Math Model,2010,34(12):4106 surface-flow simulations on non-unifor block-structured grids. [3]Zhang SJ.Hou H,Yang J,et al.Numerical simulation technolo- Comput Math Appl,2010,59(7):2215 gy of the filling process.Mater Rev,2007,21(3):104 [15]Janssen C,Krafezyk M.Free surface flow simulations on GPG- (张舒娟，侯华，杨品，等.充型过程的数值模拟技术。材料 PUs using the LBM.Comput Math Appl,2011,61(12):3549 导报，2007,21(3)：104) [16]He Y L,Wang Y,Li Q.Lattice Boltzmann Method:Theory and [4]Zhou J X.Current status and development trend of casting numeri- Applications.Beijing:Science Press,2009 cal simulation technology.Foundry,2012,61(10):1105 (何雅玲，王勇，李庆.格子Boltzmann方法的理论及应用. (周建新.铸造计算机模拟仿真技术现状及发展趋势.铸造， 北京：科学出版社，2009) 2012,61(10):1105) [17]Thurey N.Physically based Animation of Free Surface Flows with [5]Lu YL,YangG C.Zhou Y H.On numerical simulation of mould the Lattice Bolizmann Method Dissertation ]Freistaat Bayem:工程科学学报,第 40 卷,第 1 期 表面的高度差最大值明显小于无障碍充型,两次短 暂增大幅度后者也小于前者. 在 t = 6 s 后的动态平 衡状态中,前者自由表面一直处于 10 mm 左右的高 度差值,而后者该值一直处于 5 mm 左右. 结合 3郾 3郾 2 中无障碍和 3郾 5郾 2 中有障碍的流体线速度对 比分析,前者自由表面线速度比后者大,高度差值进 一步说明了当有圆柱障碍物扰流时自由面更加平 整,说明圆柱障碍物在充型中有使流体更加平稳的 作用. 3 结论 (1)本文采用格子 Boltzmann 单相自由表面模 型进行流场计算. 针对此方法,提出了一种权重系 数重新分配的方法来处理液相分配. 并用所建立的 模型模拟了大平板反重力充型过程的流体流动过 程. 数值模拟结果与水力模拟实验结论的流场特征 和流体形态吻合很好,证明了该模型可用于计算反 重力充型的过程. (2)对单浇口、双浇口和圆柱扰流条件下大平 板反重力充型流动过程的模拟结果表明,双浇口浇 注时两浇道之间的互相影响会导致流体内部运动更 加复杂,在两浇口之间形成了两个反向对称内涡流 区,且该涡流区和主涡流区都会被拉长并且一分为 二. 圆柱扰流时,在圆柱体上侧会形成障碍涡流区, 会抑制主涡流区的扩散. 有圆柱扰流与无圆柱扰流 相比,前者整体线速度更加均匀且自由表面高度差 小,说明圆柱障碍物能明显改善充型流体的稳定性, 降低流体与壁面冲击产生的晃动幅度,使充型更加 平稳. 参 考 文 献 [1] Ginzburg I, Steiner K. 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Numerical simulation of counter gravity filling patterns for thin plate casting. Spec Cast Nonferrous Alloy, 2000, 12(2): 45 (李梅娥, 王友序, 吕衣礼, 等. 薄板件反重力充型形态的数 值模拟研究. 特种铸造及有色合金, 2000, 12(2): 45) [7] Li R, Wang Y X, Yang G C. Numerical simulation for large thin鄄 walled plate castings in counter鄄gravity mould filling. Spec Cast Nonferrous Alloy, 2003(3): 12 (李日, 王友序, 杨根仓. 薄壁大平板铸件的反重力充型数值 模拟. 特种铸造及有色合金, 2003(3): 12) [8] Janssen C, Krafczyk M. A lattice Boltzmann approach for free鄄sur鄄 face鄄flow simulations on non鄄uniform block structured grids. Com鄄 put Math Appl, 2010, 59(7): 2215 [9] Tang B, Li J F, Wang T S. Single鄄phase lattice Boltzmann model for free鄄surface flow. J Tsinghua Univ Sci Tech, 2008, 48(11): 2017 (汤波, 李俊峰, 王天舒. 带自由面流体运动的单相格子 Bolt鄄 zmann 方法模拟. 清华大学学报( 自然科学版), 2008, 48 (11): 2017) [10] Zhou Y, Guo J H, Chen H X. Lattice Boltzmann simulation of tow liquid droplets impacting on a liquid film. Chin J Comput Phys, 2010, 27(1): 31 (周轶, 郭加宏, 陈红勋. 格子 Boltzman 方法模拟双液滴撞 击液膜的流动过程. 计算物理, 2010, 27(1): 31) [11] Han W J, Yan K, Chu X S, et al. Influence factors to numerical simulation of splash flow based on LBM. J Ship Mech, 2015, 19 (4): 356 (韩文骥, 颜开, 褚学森, 等. LBM 方法数值模拟飞溅流动 的影响因素研究. 船舶力学, 2015, 19(4): 356) [12] Attar E, K觟rner C. Lattice Boltzmann model for thermal free sur鄄 face flows with liquid鄄solid phase transition. Int J Heat Fluid Flow, 2011, 32(1): 156 [13] Schreiber M, Neumann P, Zimmer S, et al. Free鄄Surface Lat鄄 tice鄄Boltzmann simulation on many鄄core architectures. Proc Com鄄 put Sci, 2011, 4: 984 [14] Janssen C, Krafczyk M. A lattice Boltzmann approach for free鄄 surface鄄flow simulations on non鄄 uniform block鄄structured grids. Comput Math Appl, 2010, 59(7): 2215 [15] Janssen C, Krafczyk M. Free surface flow simulations on GPG鄄 PUs using the LBM. Comput Math Appl, 2011, 61(12): 3549 [16] He Y L, Wang Y, Li Q. Lattice Boltzmann Method: Theory and Applications. 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