Collaborative Research: Models, algorithms, simulations and applications for dendritic solidifications of two-phase multi-component alloys in the mushy zone

合作研究:糊状区两相多组分合金枝晶凝固的模型、算法、模拟和应用

基本信息

  • 批准号:
    2309731
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.67万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-08-01 至 2026-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Alloys, typically formed by solidifying a molten mixture of multiple metal and non-metal components, find extensive applications in various fields and are vital to our economy. Unlike pure metals, solidification of alloys occurs in a mushy zone where phase change, solution diffusion, thermal diffusion, volume change, and melt convection interact and strongly influence the mechanical, physical, and chemical properties of the solidified alloy. This project aims to develop mathematical models and numerical algorithms for the solidification process in the mushy zone. The numerical results will advance the understanding on the complex physical processes in the mushy zone and provide guidance to the design of alloys with desirable properties. The team of PIs consists of the three researchers from three different institutions, where training of graduate students on the topics of the project is expected. This research project focuses on mathematical modeling, algorithm development and analysis, numerical simulations, and engineering applications of dendritic solidification of two-phase multi-component alloys in the mushy zone. The investigators will address these challenging problems numerically with the following goals: (i) to develop a general two-phase multi-component phase-field model for the solidification of alloys in the mushy zone, with the consideration of thermal diffusion, solute diffusion, convection, density variation, and energy law; (ii) to develop and analyze efficient, easy-to-implement, and energy-stable numerical schemes to accurately capture the solidification dynamics; and (iii) to perform numerical simulations to validate the models and numerical schemes, and further study physically motivated problems. The obtained modeling and numerical tools allow the investigators to simulate relevant physical problems of practical interest in a variety of applications due to the wide applicability of the models and algorithms.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
合金通常是通过巩固多种金属和非金属成分的熔融混合物而形成的,它们在各个领域都有广泛的应用,对我们的经济至关重要。与纯属金属不同,合金的凝固发生在糊状区域,在该区域,相变,溶液扩散,热扩散,体积变化,熔体对流相互作用并强烈影响固化合金的机械,物理和化学性质。该项目旨在为糊状区域中的固化过程开发数学模型和数值算法。数值结果将提高人们对糊状区域中复杂物理过程的理解,并为具有理想特性的合金设计提供指导。 PI团队由来自三个不同机构的三名研究人员组成,在该研究人员中,研究生对项目主题进行了培训。该研究项目的重点是数学建模,算法开发和分析,数值模拟以及工程应用在糊状区域中两相多组分合金的树突状固化的应用。研究人员将以以下目标在数值上解决这些具有挑战性的问题:(i)在考虑到热扩散,溶质扩散,对流,密度变化和能量定律的情况下,开发了糊状合金固化的一般两相多组分相位模型; (ii)开发和分析有效,易于实施且能量稳定的数值方案,以准确捕获固化动力学; (iii)执行数值模拟以验证模型和数值方案,并进一步研究以身体动机的问题。获得的建模和数值工具使研究人员能够通过模型和算法的广泛适用性模拟各种应用中实践兴趣的相关物理问题。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准来通过评估来通过评估来获得支持的。

项目成果

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    $ 24.67万
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