Estudo dos efeitos da cinética e das anisotropias interfaciais na solidificação equiaxial utilizando o Modelo do Campo de Fases.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Maciel, Rodrigo Ramalho
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Campo de fases; Faceted solidification; Phase-field Method; Simulação; Simulation; Solidificação facetada
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-04032024-093947/

Um modelo de campo de fases que considera anisotropias reduzidas ou elevadas da cinética interfacial (attachment kinetics) e da energia interfacial foi implementado para a simular em um domínio bidimensional a solidificação equiaxial em um líquido semi-infinito e super-resfriado. O algoritmo numérico para resolução das equações do modelo foi construído em linguagem C++ na plataforma CUDA (Compute Unified Device Architecture) para realizar cálculos paralelizados nos diversos núcleos/processadores da unidade de processamento computacional (CPU) e da unidade de processamento gráfico (GPU) de um computador pessoal. Inicialmente, o modelo foi utilizado para simular o crescimento equiaxial isotrópico de esferas e cilindros de comprimento infinito para entender em um contexto mais simples a importância da cinética interfacial e da transferência de calor no processo de crescimento equiaxial. Os resultados dessas simulações foram também comparados com os resultados da resolução do modelo clássico a partir de um método baseado nas funções de Green, permitindo identificar as condições para um modelo de campo de fases quantitativo. Foram então simulados crescimentos não-dendríticos e dendríticos considerando anisotropias isoladas da cinética interfacial e energia interfacial e posteriormente considerando simultaneamente os dois tipos de anisotropias. Resultados quantitativos dos crescimentos cilíndricos e esféricos podem ser obtidos no modelo de campo de fases de interface fina utilizando um perfil inicial de equilíbrio da variável de fase e espessuras da interface difusa menor ou igual a 0,125 vezes o menor raio de curvatura da interface. Resultados quantitativos ainda podem ser obtidos para o crescimento dendrítico com maiores espessuras para a morfologia e velocidade da ponta dendrítica em estado estacionário. Foi verificado que, com a elevada anisotropia da energia interfacial, há a formação de arestas na direção de crescimento preferencial do sólido. Com a elevada anisotropia do coeficiente cinético ocorre a formação de facetas que dificultam a transferência de calor e diminuem a velocidade da ponta dendrítica.