在涉及到多组分多凝固/熔化过程中,液池密度随温度和组分的变化而变化。在重力场存在的情况下,浮力将由两种机制引起:

  • 热浮力(Thermal buoyancy):密度随温度改变而以引起当浮力
  • 溶质浮力(Solutal buoyancy):密度随熔体物质组成变化而引起的浮力。在多组分凝固问题中,溶质在液固界面附近不断被排斥,导致液池中溶质富集。这种对溶质的富集使固液界面附近产生浓度梯度,从而产生密度梯度。

热浮力与溶质浮力模型的建立对于准确预测整体凝固行为具有重要意义。由于热浮的作用,流动趋向于促进混合和平滑温度梯度。因此,排除这一项会导致对凝固时间的预测不准确。Solutal 浮力将富集液体移离液-固界面,并将其替换为远场标称成分液体,排除 Solutal 浮力会导致对多组分材料偏析模式的过度预测。

针对多组分凝固问题,Fluent 采用 Boussinesq 方法建立浮力诱导流动模型。热浮力按自然对流和浮力驱动流动理论计算。由 Solutal 浮力引起的体积力是用类似的方法计算的: 式中, 为液相中溶质 的质量分数; 为组分 的参考质量分数; 为组分 的膨胀系数; 为溶质组分的数量; 为重力加速度向量; 为参考密度。

总体力是热浮力和溶质浮力之和,二者具有相似或相反的符号。