Разработка физических моделей и комплекса компьютерных программ для исследования распространения излучения в среде с микро- и наночастицами, взаимодействия мощного лазерного излучения с порошково-газовой струей, процессов полимеризации в лазерной стереолитографии

Разработана теплогидродинамическая модель, позволяющая прогнозировать характеристики лазерной наплавки (ЛН) методом инжекции порошков с учетом различной геометрии теплоотвода 3D-деталей. Для программной реализации модели ЛН используется открытый пакет вычислительной гидродинамики OpenFoam. Разработана программа автоматизации исследований с использованием пакета PyFoam.Решалась самосогласованная система уравнений теплопроводности и гидродинамики, а также уравнение эволюции границы раздела фаз с учетом фазовых переходов (ФП). Основными движущими силами являются поверхностные термокапилярные и капиллярные силы. Для слежения за свободной границей раздела металл - газ используется метод S-CLSVOF. В уравнение теплопроводности введена новая функция учета влияния добавляемого порошка, учитывающая его температуру и распределение. Для согласования уравнения моментов и давления используется PISO-алгоритм. Считается, что ФП происходит изотермически, а гидродинамика движения в переходных областях моделируются путем введения пористого слоя. Важная особенность - учет различной плотности газа и метала в уравнении теплопроводности, а также использование для нее гармонической интерполяции. Для решения VOF-уравнения используется метод Multidimensional Universal Limiter for Explicit Solutions. Такие разностные схемы позволяют получить из системы уравнений физической модели разностные уравнения. Полученные алгебраические уравнения решены хорошо векторизуемыми явными итерационными методами. Для уравнения энергии используется метод предварительно бисопряженных градиентов с неполным диагональным LU-предобуславливателем. Симметричные матрицы уравнения давления преобразуются при помощи неполного диагонального предобуславливателя Холецкого и решаются при помощи метода предварительно сопряженных градиентов. Рассмотрены типичные ситуации теплоотвода: наплавление на массивную подложку, край массивной детали и тонкую стенку. Найдены режимы управления мощностью лазерного излучения при изменении условий теплоотвода для поддержания устойчивости процесса ЛН. Показана возможность качественной наплавки при малых углах разворота. На базе вычислительной библиотеки OpenFOAM реализован программный код для высокопроизводительных многопроцессорных систем, который позволяет прогнозировать распределения полей напряжений и смещений в процессе спекания в зависимости от режима ЛН и упругих свойств материала. Представлены результаты расчетов температурных полей, полей термонапряжений и деформаций в процессе синтеза 3D-изделий различных геометрий.