如何分析夹杂在金属液中的微小气泡

铸造充填数值模拟中气泡跟踪的关键技术

如何分析夹杂在金属液中的微小气泡

全文已刊登于《中国压铸》2019年第七期

众所周知，在铸造过程数值模拟中面临的一个最大的挑战就是如何分析夹杂在金属液体中的微小气泡。基于传统数值分析的基本理论，当这些气泡的体积变得小于元素尺寸时，它就会消失，而其中伴随气体的所有信息也将一并丢失。这样使得分析这样的铸造缺陷变得异常困难。

如果工程师有足够的使用经验和良好的理论背景，他仍可以对流态进行分析，一步一步地手工跟踪并推测这些气泡的走向。并根据其最终的消失的位置大致判断其后续的走向、位置与缺陷程度。但是如果是初学者或者缺乏良好的流体力学背景则非常困难，而且这种判断中带入了太多的假设和猜测，使得结果很不确定，不同的用户往往有不同的结论。

Cast-Designer的气泡模型

Cast-Designer是一款功能强大的铸造设计与分析软件，适应于各种铸造工艺，并具备强大的设计、分析与自动优化能力。其内置的新一代CFD求解器能采用多相流的方法很好地模拟铸造中的气泡和金属流动。

在模拟过程中，我们必须考虑两个主要因素：模拟计算的速度和计算精度。为了同时照顾模拟效率和模拟精度，在Cast-Designer中引入了两类气体模型：卷气模型和绝热气体模型。

卷气模型主要用于模拟自由表面流动中的湍流的影响，这足以表征夹杂气体在流体中的分布与流动。卷气模型常用于模拟流体中气体的“膨胀”和金属液中气体的浮力效应，以及气泡上升到金属表面的空气逸出。此外，气泡可以被压缩，在保持质量的同时体积可以改变。

另一方面，绝热气体模型能够表征金属液体运动中自由表面内更大的气泡或气体区域。特别地，可以把任何非填充的连续区域定义为一个气体区域，而赋予均匀的压强、温度和惯性，而气体区域与流体界面处的摩擦则忽略不计。如果气体密度远小于流体密度并且气体速度与流体的速度相当，这些假设通常是非常有效的，