一种面向热毛细相变问题的新型光滑粒子流体动力学公式，侧重于金属增材制造熔池建模
计算工程、金融与科学
2021-05-05 v3
摘要
基于激光的金属加工(包括焊接和三维打印)涉及固态或颗粒原料的局部熔化、表面张力驱动的熔体流动以及由于施加的极高能量密度而导致的熔体显著蒸发。本文提出一种弱可压缩光滑粒子流体动力学公式，用于涉及固、液、气三相的热毛细相变问题，并特别关注选择性激光熔化这一新兴金属增材制造技术。蒸发诱导的反冲压力、温度依赖的表面张力与润湿力被视为力学界面通量，而高斯激光束热源与蒸发诱导热损失被视为热界面通量。提出了一种新颖的界面稳定方案，其通过有效抑制连续表面力方法中典型的伪界面流动，实现了稳定且光滑的液-气界面。此外，对离散 Marangoni 力所需温度梯度切向投影的离散化策略进行了批判性评述。所提公式被认为尤其适用于金属增材制造中熔池动力学建模，因其考虑了全部相关界面力，且对大气气体相的显式解析使得通过气体裹入描述孔隙形成成为可能。各模型与方法构建模块的准确性和鲁棒性通过选择性激光熔化背景下的若干精选算例得以验证。
引用
@article{arxiv.2012.08788,
title = {A novel smoothed particle hydrodynamics formulation for thermo-capillary phase change problems with focus on metal additive manufacturing melt pool modeling},
author = {Christoph Meier and Sebastian L. Fuchs and A. John Hart and Wolfgang A. Wall},
journal= {arXiv preprint arXiv:2012.08788},
year = {2021}
}