一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法技术

本发明专利技术公开了一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，属于微观组织模拟领域，适用于采用相场法预测二元单相合金多枝晶在液相中存在平移和旋转的生长过程。该方法提出了不同时刻已碰撞的多个枝晶组成的固相颗粒在其内部发生重叠的过滤方法、同一时刻两个或多个固相颗粒在不同节点发生重叠的过滤方法、并行计算时在不同CPU中检测到的相同固相颗粒发生的碰撞的过滤方法、发生碰撞的多个枝晶的合并方法。采用本发明专利技术提出的碰撞检测和合并方法对具有2个柱状晶、4个等轴晶的方腔流计算域进行了并行试算，结果表明该方法可以高效准确地再现所有等轴晶在液态金属中发生的平移、旋转、碰撞和合并等行为。

【技术实现步骤摘要】
一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法
本专利技术提出的一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，属于微观组织模拟领域，适用于二元单相合金的多枝晶生长过程的相场法模拟，且适用于利用相场法模拟枝晶在考虑流动的液态金属中的平移、旋转运动。
技术介绍
凝固过程微观组织模拟方法经历了确定性方法、随机性方法和直接模拟法的发展历程，随机性方法有蒙特卡洛方法、元胞自动机方法等；直接模拟方法有水平集方法和相场法等。相比于其余方法，相场法可以有效避免复杂的相界面跟踪，可以耦合凝固过程中的宏观和微观物理场，定量分析固液界面的曲率效应和动力学效应，再现晶粒内部的亚晶细节，因此成为预测微观组织演变的主流方法。单相二元合金的相场法模拟技术已经逐渐成熟，其中被广泛采用的一种相场模型是Karma等人提出的QPF(Quantitativephasefield)模型。该模型利用序参量Φ表征固、液相及界面，整个计算域中，Φ＝1的区域为固相，Φ＝-1的区域为液相，介于-1至1的区域为界面；该模型通过薄界面分析使界面层宽度的选取可以大于金属材料实际的界面厚度以提高模拟效率；又通过引入反溶质截留项克服了增加界面厚度所引起的溶质陷落现象。利用QPF模型模拟单晶生长可以取得良好的结果，而实际的金属凝固往往是众多枝晶同时形核和生长的过程。据此，有学者在单序参量QPF模型的基础上提出了一种多相场模型，该模型引入N个序参量Φn表征不同的晶粒，整个计算域中，Φn＝1的区域为第n个晶粒的固相，Φn全为-1的区域为液相，Φn介于-1至1的区域为界面，包括固-液界面和固-固界面；在固-固界面，该模型通过一个交互作用能项再现凝固过程中晶粒与晶粒之间的交互作用，可以预测液态金属中多个枝晶的形核生长，及枝晶靠近生长时固-固界面的相互作用。与此同时，又有学者发现：在枝晶生长过程中，液态金属中的流动对枝晶的长大存在明显的影响。经典的结论是：在具有自然对流的液态金属中生长的枝晶，其迎流侧的生长会得到促进而背流侧的生长受到抑制。据此，有学者在单序参量QPF模型的基础上提出了耦合流体流动的相场模型，该模型可以再现枝晶在自然对流或强制对流状态下的非对称生长，相比于不耦合流体流动的模型，它可以更真实地模拟枝晶生长。但这种模型只能模拟枝晶在对流流体中的静态生长过程，而实际的枝晶在具有流速的流体中或重力作用下会存在固相运动，即流体冲刷或重力作用会使枝晶在液相中发生平移或旋转。据此，又有学者基于耦合了流体流动的相场模型提出了耦合了枝晶运动的相场模型，并进一步将其与多相场模型结合，得到了一种耦合了流体流动和固相运动的薄界面定量多相场模型，该模型可以再现液态金属凝固过程中多个枝晶的形核、非对称生长、平移、旋转。然而，在模拟多个枝晶在液相中的平移和旋转时，当枝晶相互靠近时，需要进行特殊处理。这种处理需要考量两个方面：一方面，由于金属熔体中的枝晶形核生长是以非小平面的形式生长，表现为宏观上的光滑界面和原子尺度上的粗糙界面，使得枝晶相互靠近时，各自在原子尺度上的粗糙界面会相互契合，原子与原子之间结合而形成连接，当连接达到一定数量，键合力也达到使枝晶合并的阈值，相互靠近的枝晶会形成一个整体，以合并的固相颗粒的形式在液态金属中继续运动，这种固相颗粒由两个或多枝晶组成。因此特殊处理的第一个考量基于物理背景，需要考虑枝晶相互靠近时的合并。另一方面，由于在液相中生长并作固相运动的枝晶彼此靠近时，各自都具有平移和旋转速度，在它们接触的瞬间，若任由其继续运动，后续的模拟结果将呈现过度的枝晶重叠，而真实的凝固过程中枝晶生长时不存在过度重叠。因此，特殊处理的第二个考量基于模拟背景，需要在枝晶靠近并开始发生重叠的瞬间及时检测出并进行处理，以得到合理的模拟结果。综上所述，为接近真实的凝固过程，需要采用耦合了流体流动和固相运动的薄界面定量多相场模型模拟多个枝晶的形核、非对称生长、平移、旋转，在这种模拟技术中，又需要对相互靠近的枝晶进行特殊处理，其中一种被国内外学者广泛采用的方式是假定枝晶接近后的碰撞为非弹性碰撞，即忽略碰撞力对枝晶的影响，但满足动量守恒；碰撞之后枝晶合并为一个固相颗粒，固相颗粒在液相中继续生长并作固相运动。
技术实现思路
针对
技术介绍
中阐述的对相互靠近的多个枝晶的特殊处理，本专利技术提出了一种碰撞检测和合并方法，基本流程为：某一时刻两个或多个晶粒在某一节点的相场值超过某一个阈值时，即判断为重叠，所发生的重叠会进一步判断是否满足枝晶间相互碰撞的条件，若满足则执行碰撞和合并运算。本专利技术所提出的碰撞检测和合并方法的具体流程如下，包含如下步骤：步骤1：多进程逐节点寻找重叠固相；步骤2：过滤已碰撞固相颗粒内部的重叠；步骤3：过滤多个固相颗粒在不同节点发生的重叠；步骤4：多进程碰撞检测和信息传递；步骤5：过滤不同CPU中相同固相颗粒的碰撞；步骤6：合并发生碰撞的固相颗粒；●其中，步骤1中多进程逐节点寻找重叠固相，所有进程在各自的计算域中逐节点查找相场值超过规定阈值的固相颗粒的数量；设立整形变量1存储这一数量，若该数量大于1，则当前节点判定为固相颗粒重叠点，并记录发生重叠的所有固相颗粒的编号；模拟开始时，每个固相颗粒互不重叠，各固相颗粒中包含的序参量数目都为1，固相颗粒数量为序参量的个数，并以序参量的编号命名各固相颗粒的编号；每个节点在进行重叠固相查找之前将整形变量1重设为0；相场阈值一般在-1至0之间选取；●其中，步骤2中过滤已碰撞固相颗粒内部的重叠，每一个进程在寻找重叠固相时即开始这种过滤以提高效率。以逐节点形式寻找重叠固相时，已碰撞固相颗粒内部的重叠也会在后续时间步中被检测出来，这种重叠的过滤方法是，对当前存在的所有固相颗粒设立一个逻辑变量1，在逐节点寻找重叠固相过程中，当某一节点处组成某固相颗粒的序参量超过相场阈值时，该固相颗粒的逻辑变量1即设为TRUE；在相场阈值判定外层再设立逻辑变量1的判定，仅当逻辑变量1为FALSE时进行相场阈值判定；逻辑变量1的含义为某一固相颗粒是否已经被检测为重叠固相，值为TRUE代表是，值为FALSE代表否；每个节点在进行重叠固相查找之前将所有固相颗粒的逻辑变量1全部赋值为FALSE。●其中，步骤3中过滤多个固相颗粒在不同节点发生的重叠，每一个进程在寻找重叠固相时即开始这种过滤以提高效率。两个或多个固相颗粒是否重叠，只要一个节点发生重叠即可决定，而以逐节点形式寻找重叠固相时，固相颗粒在不同节点处发生的重叠都会被检测出来，如图1所示。多余重叠点的过滤方法是，对当前存在的所有固相颗粒设立一个逻辑变量2和一个整型变量2，在逐节点寻找重叠固相过程中，当某一节点处组成某固相颗粒的序参量超过相场阈值时，若该固相颗粒的逻辑变量2为TRUE，则对整形变量2进行累加；每一节点寻找重叠固相结束后，对比整形变量1和2，若两者相等，则将整形变量1重设为0；整形变量1和2的对比结束后，判断整形变量1的值是否大于1，若大于1则将检测到的固相重叠判定为颗粒碰撞，并将组成该碰撞的所有固相颗粒的逻辑变量2设为TRUE；逻辑变量2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，其特征在于包括以下功能：/n功能1：可过滤不同时刻已碰撞的由多个枝晶组成的固相颗粒在其内部发生的重叠；/n功能2：可过滤同一时刻两个或多个固相颗粒在不同节点发生的重叠；/n功能3：可过滤并行计算时在不同CPU中检测到的相同固相颗粒间发生的碰撞；/n功能4：可实现发生碰撞的多个枝晶的合并。/n

【技术特征摘要】
1.一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，其特征在于包括以下功能：
功能1：可过滤不同时刻已碰撞的由多个枝晶组成的固相颗粒在其内部发生的重叠；
功能2：可过滤同一时刻两个或多个固相颗粒在不同节点发生的重叠；
功能3：可过滤并行计算时在不同CPU中检测到的相同固相颗粒间发生的碰撞；
功能4：可实现发生碰撞的多个枝晶的合并。


2.根据权利要求1所述的一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，其特征在于功能1中对固相颗粒内部组成该固相颗粒的多个枝晶的重叠检测和过滤。前一时刻已经发生了碰撞和合并的枝晶，在后续时刻的碰撞检测中同样会呈现为重叠状态，若不加以过滤，已碰撞和合并的固相颗粒在后续的每一时刻都会被检测为碰撞，将造成极其冗余地碰撞信息传递和存储、固相颗粒质心和速度计算等运算，权利要求1所述的功能1可以有效过滤无效重叠，精简冗余运算，极大的提高碰撞检测效率。


3.根据权利要求1所述的一种多枝晶运动相场法并行模拟的碰撞检测和合并方法，其特征在于功能2中对多个固相颗粒间在不同节点处发生重叠的检测和过滤。同一时刻，被检测到发生碰撞的...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，刘湘波，刘仁培，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32