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【学习笔记】枝晶生长相场模拟方法

时间:2023-08-01 来源: 浏览:

【学习笔记】枝晶生长相场模拟方法

锂想生活
锂想生活

LIB-Life1

我是锂想生活mikoWoo,分享锂电池极片机理与工艺,以及相关知识;并从零开始,做锂离子电池的工艺参数-微结构特征-电池性能的计算机模拟。顺便记录生活和工作点滴:忆我此生,记她今世,那些与女儿一起成长的趣事。

收录于合集

本人曾经学习锂枝晶生长相场有限元模拟方法过程中的笔记,从相场方法的基本原理开始,再从经典的二元合金凝固案例,到电池中锂枝晶的模拟。 相场方法(Phase Field,PF)是以热力学为基础的方法,常常用于模拟材料的相变和微观组织的演变。它是一种介观尺度的方法,其变量可以是抽象的非守恒量,来量度系统是否处于任何一个给定相(如固体、液体等);其变量也可以为守恒量,如浓度。界面由从一个相到另一个相平滑变化的量来描述,界面是弥漫的而不是锐化的。 本人在此陆续分享自己的学习笔记和学习过程,期待和感兴趣的朋友们一起讨论,实现锂枝晶的生长模拟。第一篇先分享一些二元合金凝固资料。

再分享一个自己学习过程中的案例:雪花的凝固过程模拟,并直观展示参数的影响。 雪花凝固模拟过程。相场模型偏微分方程包括:(1)相场方程,φ是相场序参数,φ=1表示固体,φ=0表示液体,0<φ<1表示两相之间的界面,界面被认为是扩散层,厚度非常小。(2)温度场方程, u ~ 表示无量纲温度,系统中水凝固成雪花的驱动力是温度过冷度。

偏微分方程中,变量分别为
其中,τ-模型参数,弛豫时间;β-相场模型参数;η-相场模型参数;μ-各向异性强度;a 0 -不同晶格各向异性模数,其中密排六方为6,体心立方为4;θ 0 -方位角;θ-界面法向与x轴的夹角;δ-界面宽度;Tm-熔点温度;T0-初始温度;F-相变潜热。
雪花凝固相场模拟通过COMSOL软件实现,采用数学模块里面的一般形式偏微分方程,设置两个因变量:相场序参数theta=φ和无量纲温度场U。
根据前面基本理论公式,设定参数值并赋值
设定一个阶跃函数,主要用于在计算域内设定初始值,在某个区域形成一个凝固的核心点,该区域内相序参数φ=1,区域外φ=0,界面上存在一个过渡区。
根据前面提到的变量表达式,设定变量
建立几何模型,边长为9的正方形,网格为物理场控制,软件默认划分。
根据前面提到的两个偏微分方程设定两个因变量theta和U
根据软件内部设定的数学公式形式,把前面的两个偏微分方程转换成与内部公式相同形式,并把相应的系数填入模型中
利用前面设定的阶跃函数设定初始值。这里分别计算了两种情况:(1)正方形中心设定凝固核心;(2)在正方形下边中间设定凝固核心。
正方形中心设定凝固核心
在正方形下边中间设定凝固核心
设定计算时间和步长,开始计算
模拟结果

这个模型中,各向异性参数由以下公式表示,其中,μ-各向异性强度;a0-不同晶格各向异性模数,其中密排六方为6,体心立方为4;θ0-方位角;θ-界面法线与x轴的夹角;δ-界面宽度。
以下模拟结果动画展示参数的影响
各向异性强度μ

μ=0

μ=0.03

μ=0.09
各向异性模数a0

a0=4

a0=6

a0=9
以上结果供参考,如有错误欢迎指正。
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