Dendrites are one of the most widely observed patterns in nature and occur across a wide spectrum of physical phenomena. In solidification and growth patterns in metals and crystals, the multi-level branching structures of dendrites pose a modeling challenge, and a full resolution of these structures is computationally demanding. In the literature, theoretical models of dendritic formation and evolution, essentially as extensions of the classical moving boundary Stefan problem exist. Much of this understanding is from the analysis of dendrites occurring during the solidification of metallic alloys. Motivated by the problem of modeling microstructure evolution from liquid melts of pure metals and alloys during MAM, we developed a comprehensive numerical framework for modeling a large variety of dendritic structures that are relevant to metal solidification. In this work, we present a numerical framework encompassing the modeling of Stefan problem formulations relevant to dendritic evolution using a phase-field approach and a finite element method implementation. Using this framework, we model numerous complex dendritic morphologies that are physically relevant to the solidification of pure melts and binary alloys. The distinguishing aspects of this work are - a unified treatment of both pure metals and alloys; novel numerical error estimates of dendritic tip velocity; and the convergence of error for the primal fields of temperature and the order parameter with respect to numerical discretization. To the best of our knowledge, this is a first-of-its-kind study of numerical convergence of the phase-field equations of dendritic growth in a finite element method setting. Further, we modeled various types of physically relevant dendritic solidification patterns in 2D and 3D computational domains.


翻译:登流体是自然中最广泛观察的模式之一,并且出现在一系列广泛的物理现象中。在金属和晶体的固化和增长模式中, dendrite 的多层分支结构构成一个建模挑战,这些结构的完全解析是计算上的要求。在文献中,登地形成和演进的理论模型,基本上随着古典移动边界Stefan问题的延伸而存在。这种理解在很大程度上来自对金属合金固化过程中出现的离心体的分析。在模拟纯金属和晶体的液体融化和金属合金溶化过程中的微结构演变过程中产生的问题,我们开发了一个综合的数字框架,用于模拟与金属固化相关的大量登地结构结构结构结构结构。在这项工作中,我们提出了一个包含Stefan问题公式模型的模型,使用一个阶段-实地方法,并采用一个有限的元素方法。我们首先模拟许多复杂的离心型结构,从纯融化和二氧化金属合金的液态进化过程中的微结构变化过程,一个与本级金属的精确进化模型的细的进化和进化过程的进化过程的进化过程,一个分解的细的进化方法,一个与本和进化的进化的进化的进化过程的进化过程的细的进化方法,一个与进化方法的细的进化方法,一个与进化的进化方法的进化方法的进化的进化方法,在我们的进化和进化方法的进化的进化方法,一个和进化的细的细的细的细的进化和进化的进化的进化方法的进化的进化的进化的进化的进化方法的进化方法的进化方法的进化方法的进化和进化方法的进化的进化和进化方法的进化和进化和进化和进化过程的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的进化方法。的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的细的进化和进化和进化和进化。

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