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摘要
与传统铸造技术相比,基于金属粉末的增材制造技术因其生产周期短、可操作性强而在航空航天、生物医学等领域具有很好的优越性.尤其是激光直接沉积技术,因其自由度高,在复杂构件制造、部件修复中有着广泛的运用.但是该激光直接沉积过程涉及多物理场、跨尺度、极端高温高压环境和相变问题,仅靠实验不能很好地研究其中的机理.已有数值模拟技术一般通过预设或者射入拉格朗日点作为颗粒输入,不能做到同时考虑环境气体、颗粒碰撞和相变过程.本文在近期发展的基于核函数近似背景流场的半解析CFD-DEM耦合方法中引入了流体体积分数法(VOF),发展了可以同时模拟含热、刚体颗粒、相变和自由液面及相变界面的半解析VOF-DEM (或半解析CFD-DEM-VOF)方法,从而首次实现了真实物理环境下激光直接沉积技术的数值模拟.其中, VOF中的气相为环境气体,液相为熔融和凝固的金属相,界面通过iso-Advector重构, DEM为未熔化的金属粉末,且流体网格可解析离散元颗粒形状.这一模拟框架可以有效复现颗粒之间的碰撞、粘结、熔化、融合,以及熔池熔道的形成,为激光直接沉积技术的数值模拟提供了开拓性的范式,并可以被应用到其他带相变的颗粒系统中.
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