DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v26r437

Трёхмерная нестационарная многофазная модель процесса локального плавления статичных и подвижных сплошных тел

Авторы

  • Р. С. Рубля
  • С. А. Никифоров
  • И. В. Шварц
  • А. Х. Гильмутдинов

Ключевые слова:

многофазная модель, локальное плавление, тормозящий источник, фазовый переход, вычислительный эксперимент, адаптивное сгущение сетки, метод конечных объемов, Ansys Fluent, UDF

Аннотация

Разработана и верифицирована многофазная математическая модель для описания динамики статичных и подвижных сплошных тел, подвергаемых локальному плавлению в условиях действия сил тяжести и поверхностного натяжения. Ключевым элементом является модифицированный релаксационный источник ускорения, который позволяет задавать объекту целевую поступательную или вращательную скорость, при этом его действие плавно снижается в зоне фазового перехода первого рода и пространственно локализуется вблизи границы раздела фаз за счет введения температурно-зависимого и фазового множителей.

Модель адаптирована для работы с произвольными объемными источниками тепла. На основе серии вычислительных экспериментов определены диапазоны калибровочных параметров модели, обеспечивающие баланс между высокой точностью, вычислительной стабильностью и приемлемыми временными затратами. Верификация подтверждена согласованием с аналитическими решениями. Модель применима для численного анализа процессов сварки, наплавки, индукционного плавления и др.


Загрузки

Опубликован

2025-12-12

Выпуск

Том 26 (2025): Выпуск 4.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Авторы

Р. С. Рубля

https://kai.ru/

• старший преподаватель

С. А. Никифоров

https://kai.ru/

• старший преподаватель

И. В. Шварц

https://kai.ru/

• старший преподаватель

А. Х. Гильмутдинов

https://kai.ru/

• профессор, заведующий кафедрой

Библиографические ссылки

  1. P. V. Trusov, Introduction to Mathematical Modeling(Logos, Moscow, 2007) [in Russian].
  2. D. Chen, G. Li, P. Wang, Zh. Zeng, Yu. Tang, “Numerical simulation of melt pool size and flow evolution for laser powder bed fusion of powder grade Ti6Al4V,” Finite Elements in Analysis and Design 223, Article Number 103971 (2023).
    doi 10.1016/j.finel.2023.103971
  3. M. Liu, Zh. Liu, B. Li, F. Qi, W. Peng, “Numerical simulation on melt pool and solidification in the direct energy deposition process of GH3536 powder superalloy,” Journal of Materials Research and Technology, 26, 5626–5637 (2023).
    doi 10.1016/j.jmrt.2023.08.252
  4. J. Chu, Xi. Wang, Y. Ma, H. Liu, “Numerical simulation of melt pool formation in laser transmission joining PET with microtextured surface pretreated SUS304 stainless steel,” International Journal of Heat and Mass Transfer, 216, Article Number 124560 (2023).
    doi 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124560
  5. H. Xiang, J. Chen, “Integrated simulation framework for metal additive manufacturing: Powder deposition, melt pool dynamics and microstructure evolution with example of Ti-6Al-4V,” Materials Today Communications, 47, Article Number 113206 (2025).
    doi 10.1016/j.mtcomm.2025.113206
  6. S. Sharma, V. Mandal, S. A. Ramakrishna, J. Ramkumar, “Numerical simulation of melt pool oscillations and protuberance in pulsed laser micro melting of SS304 for surface texturing applications,” Journal of Manufacturing Processes, 39, 282–294 (2019).
    doi 10.1016/j.jmapro.2019.02.022
  7. S. Spitans, H. Franz, B. Sehring, S. Bogner, “EIGA-type electrode melting for highest-purity cast parts,” Magnetohydrodynamics, 59 (3/4), 347–355 (2023).
    doi 10.22364/mhd.59.3-4.7
  8. S. A. Nikiforov, I. V. Shvarts, R. S. Rublia, A. S. Melnikov, A. I. Gorunov, A. Kh. Gilmutdinov, “Multiphase three-dimensional model of the AISI 316L steel laser point heating and melting in the ultrasonic field,” Engineering Journal: Science and Innovation, 7 (151) (2024).
    doi 10.18698/2308-6033-2024-7-2369
  9. C. W. Hirt, B. D. Nichols, “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries,” Journal of Computational Physics, 39 (1), 201–225 (1981).
    doi 10.1016/0021-9991(81)90145-5
  10. J. U. Brackbill, D. B. Kothe, C. Zemach, “A continuum method for modeling surface tension,” Journal of Computational Physics, 100 (2), 335–354 (1992).
    doi 10.1016/0021-9991(92)90240-Y
  11. S. A. Nikiforov, I. V. Shvarts, A. I. Gorunov, A. Kh. Gilmutdinov, “Study of the of ultrasound vibrations influence on the liquid metal flow structure and shape of the AISI 316L stainless steel melt pool,” Engineering Journal: Science and Innovation, 11 (155) (2024).
    doi 10.18698/2308-6033-2024-11-2398
  12. S. D. Proell, W. A. Wall, Ch. Meier, “On phase change and latent heat models in metal additive manufacturing process simulation,” Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 7, 24 (2020).
    doi 10.1186/s40323-020-00158-1
  13. Ch. Reichl, S. Both, Ph. Mascherbauer, J. Emhofer, “Comparison of Two CFD Approaches Using Constant and Temperature Dependent Heat Capacities during the Phase Transition in PCMs with Experimental and Analytical Results,” Processes, 10, 302 (2022).
    doi 10.3390/pr10020302
  14. S. A. Nikiforov, I. V. Shvarts, A. Kh. Gilmutdinov, A. I. Gorunov, “Study of the melt pool shape under laser treatment of AISI 316L steel taking into account Marangoni convection effect,” Engineering Journal: Science and Innovation.2, 134 (2023).
    doi 10.18698/2308-6033-2023-2-2248

Лицензия

Copyright (c) 2025 Р. С. Рубля, С. А. Никифоров, И. В. Шварц, А. Х. Гильмутдинов

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.