近日，东南大学机械工程学院孙东科教授团队在快速凝固建模与模拟研究方向取得新进展。研究成果以“An anisotropic lattice Boltzmann - phase field model for dendrite growth and movement in rapid solidification of binary alloys”为题发表在Nature集团旗下子刊《npj Computational Materials》。论文建立了描述合金非平衡凝固时枝晶生长和运动的各向异性格子玻尔兹曼相场模型，为研究非平衡凝固中组织演化和溶质偏析提供了有效工具。
在快速凝固过程中，平衡及近平衡凝固模型不再适用。因此，揭示快速凝固过程中的非平衡与强非平衡效应已成为深化发展凝固理论并将其推向工程应用的关键所在。近年来，源于动理论（Kinetic Theory）的格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method）在机械动力、材料能源、生物医学等工程与科学领域迅速发展，已成为跨宏观、介观、微观尺度复杂系统建模和模拟的重要手段。其清晰的物理背景与普适的算法特性为揭示快速凝固机制提供了新思路。
论文从各相异性格子玻尔兹曼方程出发，通过引入界面非平衡动力学效应，获得了快速凝固过程中固液界面处溶质非平衡分配的定量描述，复现了其溶质截流和溶质拖曳现象。同时，通过耦合固相运动实现了定量描述相变过程中游离枝晶的运动和碰撞规律，进而提出了用于研究快速凝固过程中枝晶生长、运动和组织形成规律的数值模型。与传统建模思路不同，该模型从介观尺度刻画非平衡动力学效应及其对组织演化的影响规律。
图1. 论文建立了描述合金非平衡凝固时枝晶生长和运动的各向异性格子玻尔兹曼相场模型
东南大学机械工程学院的博士研究生毛士麟为本文的第一作者，论文第二作者是我校2017级曹宇婷同学（现美国University of Michigan-Ann Arbor在读博士），研究湍流直接数值模拟。孙东科教授为论文通讯作者。中国航空技术研究院的陈玮教授也参与了该工作。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-024-01245-2
来源：机械学院