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Tesis:

Multiscale modeling of dendritic growth kinetics with liquid convection

  • Autor: ISENSEE, Thomas

  • Título: Multiscale modeling of dendritic growth kinetics with liquid convection

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72958/

  • Director/a 1º: LLORCA MARTÍNEZ, Francisco Javier
  • Director/a 2º: TOURRET, Damien

  • Resumen: La solidificación dendrítica es un problema multiescala en el que la interacción entre mecanismos físicos a diferentes escalas de longitud determina la cinética de crecimiento y, por tanto, las propiedades termofísicas del material solidificado. El modelo de Dendritic Needle Network (DNN) para aleaciones binarias se desarrolló para salvar la brecha entre los métodos de modelado bien establecidos, como el método de phase-field (PF), que opera en la escala del radio de la punta dendrítica, y los métodos de mayor escala, como los métodos de cellular automaton (CA) que operan en una escala de varios órdenes de magnitud mayor. En el modelo DNN, las finas ramas dendríticas en forma de aguja que crecen en una red jerárquica se representan como paraboloides, de manera que la dinámica de crecimiento de dicha red se describe por completo mediante los radios y las velocidades de las puntas de sus agujas. Las implementaciones anteriores del modelo DNN se han verificado en numerosos estudios y se ha demostrado que predicen con éxito escalas de longitud importantes, como el espaciado del brazo dendrítico primario. Las corrientes advectivas inducidas por la flotabilidad en la masa fundida líquida, inevitables en las condiciones experimentales terrestres, alteran sustancialmente la dinámica de crecimiento dendrítico y son a menudo responsables de la formación de defectos. En esta tesis se amplía el modelo DNN para incorporar el flujo de fluidos mediante la implementación de un solver Navier- Stokes (NS) para dos casos importantes: (i) crecimiento dendrítico tridimensional en condiciones isotérmicas y (ii) crecimiento dendrítico bidimensional en un gradiente de temperatura, es decir, solidificación direccional. La nueva implementación tridimensional de NS se verifica mediante la comparación con varios puntos de referencia de la mecánica de fluidos. Todas las versiones actuales del modeloDNNestán implementadas en el lenguaje de programación CUDApara su paralelización en las unidades de procesamiento gráfico (GPU) de Nvidia. Presentamos varias aplicaciones, cada una de las cuales proporciona más información sobre diferentes aspectos de la solidificación dendrítica. Una comparación entre las morfologías 2D y 3D y la dinámica de crecimiento de los granos equiaxados bajo un flujo de entrada forzado muestra que las simulaciones 3D son indispensables para la comparación cuantitativa con los datos experimentales, especialmente cuando hay flujo de fluido involucrado. Se estudia la selección del espaciado en varias aleaciones binarias en 2D y 3D, con y sin flujo de fluido, comparando con resultados de PF y experimentales. Se investiga el crecimiento oscilante observado experimentalmente en superaleaciones base níquel mediante el modelo DNN 2D para la solidificación direccional. Por último, se presentan los resultados preliminares de una comparación cuantitativa entre PF, DNN y el Grain Envelope Model (GEM) basada en dos casos de referencia. Los principales resultados de la sección 6.1 de esta tesis se han publicado en T. Isensee, D. Tourret, Three-dimensional needle network model for dendritic growth with fluid flow, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 861, 012049 (2020), arXiv:2003.05248 [physics.comp-ph] La sección 6.3.1 de esta tesis ha sido publicada en B. Bellon, A. K. Boukellal, T. Isensee, O. M. Wellborn, K. P. Trumble, M. J. M. Krane, M. S. Titus, D. Tourret, J. LLorca, Multiscale prediction of microstructure length scales in metallic alloy casting, Acta Materialia 207, 116686 (2021), arXiv:2101.07780 [cond-mat.mtrl-sci] Las secciones 6.3.2 - 6.4 de esta tesis se han publicado en T. Isensee, D. Tourret, Convective effects on columnar dendritic solidification – A multiscale dendritic needle network study, Acta Materialia 234, 118035 (2022), arXiv:2205.07952 [cond-mat.mtrl-sci] ABSTRACT Dendritic solidification is a multiscale problem in which the interplay between physical mechanisms on different length scales determines the growth kinetics and, thus, the solidified material’s thermophysical properties. The Dendritic Needle Network (DNN) model for binary alloys was developed to bridge the gap between well-established modeling methods, such as the phase-field (PF) method, operating on the scale of the dendritic tip radius, and larger scale methods, such as cellular automaton (CA) methods which operate on a scale several orders of magnitude larger. Within the DNN model, dendritic needle-like thin branches growing in a hierarchical network are represented as paraboloids, such that the growth dynamics of such a network are entirely described by the tip radii and tip velocities of its needles. Earlier implementations of the DNN model have been verified in numerous studies and were shown to successfully predict important length scales, such as the primary dendritic arm spacing. Buoyancy-induced advective currents in the liquid melt, unavoidable under Earth-based experimental conditions, alter the dendritic growth dynamics substantially and are often responsible for defect formation. Within this thesis, the DNN model is extended to incorporate fluid flow via the implementation of a Navier-Stokes (NS) solver for two important cases: (i) three-dimensional dendritic growth under isothermal conditions and (ii) two-dimensional dendritic growth in a temperature gradient, i.e., directional solidification. The new three-dimensional NS implementation is verified by comparison to several fluid mechanics benchmarks. All current versions of the DNN model are implemented in the CUDA programming language for parallelization on Nvidia graphics processing units (GPUs). We present several applications, each giving more insight into different aspects of dendritic solidification. A comparison between 2D and 3D morphologies and growth dynamics of equiaxed grains under a forced inflow confirms that 3D simulations are indispensable for quantitative comparison to experimental data, especially when fluid flow is involved. Spacing selection in several binary alloys is studied in 2D and 3D, with and without fluid flow, comparing to PF and experimental results. Experimentally observed oscillatory growth in nickel-based superalloys is investigated via the 2D DNN model for directional solidification. Finally, preliminary results of a quantitative comparison between PF, DNN, and the grain envelope model (GEM) based on two benchmark cases are presented. The main results of Sec. 6.1 of this thesis have been published in T. Isensee, D. Tourret, Three-dimensional needle network model for dendritic growth with fluid flow, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 861, 012049 (2020), arXiv:2003.05248 [physics.comp-ph] Results from Sec. 6.3.1 of this thesis have been published in B. Bellon, A. K. Boukellal, T. Isensee, O. M. Wellborn, K. P. Trumble, M. J. M. Krane, M. S. Titus, D. Tourret, J. LLorca, Multiscale prediction of microstructure length scales in metallic alloy casting, Acta Materialia 207, 116686 (2021), arXiv:2101.07780 [cond-mat.mtrl-sci] Results from Secs. 6.3.2 - 6.4 of this thesis have been published in T. Isensee, D. Tourret, Convective effects on columnar dendritic solidification – A multiscale dendritic needle network study, Acta Materialia 234, 118035 (2022), arXiv:2205.07952 [cond-mat.mtrl-sci]