铸件充型过程数值模拟

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    铸件的充型过程伴随着液态金属的流动、温度的变化和流动区域的变化等复杂现象，它是一个极不稳定的过程，铸件的气孔、浇不足及冷隔等缺陷与这一过程有关，因此对充型工艺进行模拟计算可以预测在充型过程中产生的铸造缺陷，进而优化充型工艺，消除缺陷。     
    进入80年代后，以温度场模拟技术为基础，铸件充型过程的数值模拟研究开始兴起。首先进行这一研究工作的是美国匹兹堡大学的Stoehr教授和其学生黄文星，他们在1983年用二维方法模拟了金属流体流入一矩形水平型腔和一底部是阶梯式的垂直腔的充型流动过程，由此掀起了充型过程的计算机数值模拟研究热潮。绝大多数从事铸件凝固模拟技术研究的专家和学者又纷纷开展了这项研究工作。目前，充型模拟研究在理论上正趋向成熟，主要工作是考虑模拟计算的准确性和实用性。在充型过程的模拟中，采用比较多的算法有SOLA-VOF，SIMPLER，MAC，SMAC，COMMIX等，公认的较为实用的算法是SOLA-VOF，很多改进方案都是针对它的。这些算法涉及到的控制方程包括动量方程、连续方程、能量方程、体积函数方程和湍流动能方程等。目前，以SOLA-VOF法为基础，提出了许多新的计算处理方法，如高斯-赛德尔法，但还没有一种方法能取得一致的公认。目前充型过程模拟计算已由二维发展到三维，随着研究的深入，研究朝着尽可能地考虑较多的影响因素，降低计算时间，提高计算精度的方向发展。   
    尽管理论模型已经成熟，但在具体处理方法上尚有很大的研究空间，研究焦点聚集在湍流问题、边界条件、压力场迭代方法、缺陷预测、速度场与温度场的耦合计算和复杂计算域的迭代收敛及稳定问题等。    
    （1）湍流问题    
    充型模拟的一些控制方程是在层流的假设下推导并应用的，但在充型过程中，金属液常常呈强湍流流动，若用层流流动的方程进行模拟计算，必然造成很大误差，因而必须考虑湍流的影响，目前主要采用K-ε湍流流动模型。    
    （2）边界条件    
    边界条件分为流动和传热两大部分。由于现有算法对流动边界条件中自由表面的处理方法还很不理想，导致压力迭代发散，速度场计算结果不对称等。目前已提出一些改进算法，使模拟结果较为接近实际。    
    （3）压力场迭代    
    压力的求解是流体流动计算的一个较难解决的问题，SOLA-VOF算法采用压力迭代的方法求解压力场，但由于速度边界条件、压力迭代方法等处理不当，造成压力迭代经常发散。现在已有人根据梯度法和搜索原理，对压力迭代过程进行了重新设计，并与速度边界条件的改进算法相结合，使压力迭代过程变得迅速稳定，压力场计算结果较为合理。    
    （4）缺陷预测    
    利用该技术预测铸件的缺陷，主要有气孔、夹杂、冷隔、缩孔缩松、偏析等。缺陷的预测主要靠判据，而判据与金属的种类和型腔的形状有关，目前已有一些判据在应用，如缩孔判据等。    
    （5）耦合计算    
    充型过程伴随传热，将充型过程的速度场和温度场的计算进行耦合，充型结束后即可得到型腔中的温度场，进而进行凝固过程的模拟计算。    
    （6）迭代收敛    
    速度场的计算是一个非常耗时的过程，常常由于算法问题，造成迭代收敛困难，目前还需对SOLA-VOF模型改进，使其在处理复杂件时能够稳定收敛，得到合理的结果。    
    在大多数研究人员致力于充型过程模拟计算技术研究的同时，德国的MAGMA公司先行一步，他们已推出铸件充型过程模拟计算的软件包，抢占市场。MAGMA软件包的功能诱人，但其价位很高。    
    目前，铸件充型和凝固过程的数值模拟技术的研究与应用已由砂型铸造向金属型铸造工艺展，这一方面反映了这一技术的成熟，同时也反映了这项技术是有生命力的。