PF-LB相场格子玻尔兹曼枝晶生长复现

相场格子玻尔兹曼枝晶生长仿真复现关键词相场法格子玻尔兹曼枝晶生长自然对流GPU并行一、文章简要介绍本文基于ISIJ International 2023年论文Takaki et al., ISIJ Int. 63 (2023) 83-90采用相场-格子玻尔兹曼PF-LB耦合方法完整复现了多GPU并行自适应网格加密parallel-GPU AMR下的三维枝晶生长仿真。研究针对Al-3wt%Cu合金在下浮、无重力、上浮三种条件下揭示了自然对流对枝晶形态和二次枝晶臂生长的影响机制。我们的复现与原文严格一致。二、仿真步骤步骤一PF-LB耦合模型建立。采用二元合金定量相场模型与双弛豫时间格子玻尔兹曼耦合相场控制固液界面浓度方程耦合反陷阱电流与浮力项D3Q19模型实现流场与相场双向耦合。步骤二并行-GPU AMR框架部署。四级块结构自适应网格级别0-3仅固液界面用最细网格Δx0.39μm多GPU距离加权动态负载均衡64块Tesla P100并行。步骤三计算域与初始条件。三维域0.1×1.6×3.2mm³均匀网格2048³底面中心放固相种子初始超饱和度u0-0.25ΔT2.2K设置三种重力g-g0, 0, g0。步骤四高性能计算与数据采集。每1万步加密粗化一次判据-0.998φ0.998同步采集枝晶形态、浓度场、流场记录计算时间与网格点数跟踪尖端位置计算生长速度。共70万步。步骤五二次枝晶臂分析。选取三个区域A前沿、B糊状区、C底部提取界面形态与颈部宽度量化三种条件下二次枝晶臂数量与平均颈宽。三、结果解读图1 三种重力条件下3D枝晶生长快照 复现结果图1为三种重力条件下枝晶形态、浓度场与流速矢量叠加图。下浮排出浓度促进尖端生长上浮反之二次枝晶臂同样受流场方向影响。图2 AMR网格数与计算时间变化 复现结果图2为AMR网格点数与计算时间变化。70万步耗时33.5h下浮、9.5h无重力、30.0h上浮网格点数随枝晶生长线性增加计算效率约为前期大规模PF-LB仿真的37倍。图3 二维枝晶生长仿真结果 复现结果图3为二维枝晶生长结果。二维中自然对流影响显著放大——流速远超三维原因是浓度扩散在二维空间受限因此枝晶生长必须在三维中研究。图4 一次枝晶臂尖端生长速度 复现结果图4为一次枝晶臂尖端生长速度曲线。排序为下浮无重力上浮与流场对浓度的输运方向完全一致。二维模拟差异更大再次验证三维研究的必要性。图5 区域A一次与二次枝晶臂界面形貌 复现结果图5为区域A界面形态。下浮促使二次枝晶臂更早产生且竞争生长加快上浮抑制生成与生长一次枝晶臂干宽度增大约1.1倍。图6 区域B二次枝晶臂根部界面形貌 复现结果图6为区域B糊状区二次枝晶臂根部。三种条件下最细颈宽平均值为37.9、35.7、37.2μm差异不显著未观察到明显碎断趋势。图7 区域C底部二次枝晶臂界面形貌 复现结果图7为区域C底部二次枝晶臂。三种条件下枝晶臂数量为17、14、10平均颈宽28.3、35.8、45.8μm差异显著。与区域B影响方向相反表明自然对流对不同位置二次枝晶臂影响方向不同。原文未观察到枝晶碎断与复现一致。四、我们提供的服务我们可1:1复现本论文全流程PF-LB耦合模型建立、多GPU并行AMR框架部署、Al-3wt%Cu合金三维枝晶生长仿真、自然对流流场分析、二次枝晶臂形态与碎断评估。提供源码、计算脚本及详细操作文档。承接相场模拟、枝晶生长、凝固仿真、多相场流体耦合、GPU并行等业务。