面向金属增材制造的快速熔-蒸发动力学的一致无界面有限元方法

基于激光粉末床熔融（PBF-LB/M）的金属增材制造面临由于复杂熔池和蒸发动力学导致的性能关键挑战，常被简化的计算模型忽略了诸如蒸汽喷流形成等关键方面。为此，我们提出了一个一致的计算多物理学中尺度模型，用于研究熔池动力学、激光诱导蒸发和蒸汽流动。除了蒸发引起的压力跳变，我们还解决了蒸发引起的体积膨胀以及液-气界面上 resulting 的速度跳变。我们采用 anisothermal 不可压 Navier--Stokes 求解器，通过保守的 diffuse level-set 框架加以扩展，并集成到矩阵无感 adaptive finite element 框架中。为确保尽管在液-气界面处极端密度、压力和速度梯度下仍能获得准确的物理解，我们采用我们先前工作中开发的一致界面源项公式。这些公式考虑投影操作将解变量从锋利的液-气界面投影到计算域中。基准示例，包括薄膜沸腾，确认了该模型的准确性和通用性。作为关键结果，我们展示了该模型能够捕捉 PBF-LB/M 中熔液和蒸汽流动动力学之间的强耦合，基于对金属板上 stationary 激光照射的仿真。此外，我们展示了该模型推导著名 Anisimov 模型的过程，并将其扩展为一种新型混合模型。这种混合模型以及一致的界面源项公式（特别是针对 level-set transport velocity）使得 PBF-LB/M 模拟能够实现准确物理结果与不可压、无界面计算建模框架鲁棒性的结合。