While modelling diffusion field at the scale of a single grain, during peritectic transformation or growth of globular eutectic, it is often assumed that elementary microdiffusion field (EMDF) has spherical shape. In such models the fact that volume fraction of the remote EMDF regions decreases with distance from grain nuclei due to random contacts with other grains, is omitted. The paper describes the usage of Averaged Voronoi Polyhedron (AVP) as the shape of EMDF. In order to profile the geometry of AVP, the Kolmogorov’s statistical theory of crystallization has been applied. The paper contains rules of derivation of difference equations applied in numerical modelling of EMDF using the Finite Difference Method. Application of AVP geometry allows to compute spatial distribution of a solute in the solid solution considering decrease in volume fraction of distant regions of the EMDF. As a result of modelling the peritectic Fe-C alloy, time relations of position of ferrite-liquid interfacial boundary during primary solidification and positions of ferrite-austenite and austenite-liquid boundaries during peritectic transformation have been acquired. Kinetics of variation of volume fractions for individual phases throughout solidification have been presented. The proposed mathematical model allows to forecast a segregation in solid solution, which has been formed as a product of peritectic transformation, both as a relation of solid solution composition versus distance from a grain nuclei and as a relation of volume fraction of regions with specific composition versus their composition.
PL
W modelowaniu pola dyfuzji w skali pojedynczego ziarna podczas przemiany perytektycznej lub podczas wzrostu eutektyki globularnej często przyjmuje się, że elementarne pole mikro-dyfuzji (EPMD) ma kształt sferyczny. W modelach tego typu jest pomijane to, iż udział objętościowy obszarów peryferyjnych EPMD w miarę oddalenia się od środka ziarna maleje z powodu losowych kontaktów z sąsiednimi ziarnami. W artykule opisano wykorzystanie elementarnego pola dyfuzji w kształcie uśrednionego wielościanu Voronoi. W celu wyznaczenia geometrii uśrednionego wielościanu Voronoi zastosowano statystyczną teorię krystalizacji Kolmogorova. W artykule opisano zasady wyprowadzenia równań różnicowych zastosowanych w modelowaniu numerycznym elementarnego pola dyfuzji z wykorzystaniem metody różnic skończonych. Zastosowanie geometrii uśrednionego wielościanu Voronoi pozwala modelować rozkład przestrzenny dodatków w roztworze stałym z uwzględnieniem zmniejszania się udziału objętościowego peryferyjnych obszarów elementarnego pola dyfuzji, spowodowanego losowymi kontaktami sąsiednich ziaren. W wyniku symulacji dla perytektycznego stopu podwójnego Fe-C uzyskano zależności od czasu pozycji granic międzyfazowych ferryt-ciecz podczas krystalizacji pierwotnej oraz granic międzyfazowych ferryt-austenit i austenit-ciecz podczas przemiany perytektycznej. Przedstawiono kinetykę zmian udziałów objętościowych poszczególnych faz podczas krzepnięcia. Proponowany model matematyczny pozwala na prognozowanie likwacji w roztworze stałym powstającym w wyniku przemiany perytektycznej zarówno w postaci zależność składu chemicznego roztworu stałego od odległości od środka ziarna, jak i w postaci zależności udziałów objętościowych obszarów od ich składu chemicznego.
Przedmiotem artykułu jest zaprezentowanie modelu matematycznego krystalizacji równoosiowej. W tym celu został stworzony aparat matematyczny pozwalający na opis pola stężenia danego pierwiastka w niesferycznym Elementarnym Polu Mikrodyfuzji (EPMD) na przykładzie przemiany eutektycznej i perytektycznej w stopie Fe-C oraz przemiany perytektycznej w stopie Pb-Bi. Cechą charakterystyczną tego modelu jest uwzględnienie losowych kontaktów pomiędzy sąsiednimi EPMD, co powoduje powstanie niesferycznego kształtu tak krystalizujących ziaren. W celu opisania tak powstałych struktur zastosowano wielościany Voronoia. Ścianami takiej figury są fragmenty symetrycznych do odcinka łączącego dwa sąsiednie ziarna. Dokładny kształt tak powstałej bryły jest zależny od położenia najbliższych zarodków w stosunku do ziarna centralnego. Struktura taka powstaje podczas natychmiastowego zarodkowania ziaren i ich sferycznego wzrostu i została nazwana Uśrednionym Wielościanem Voronoia.
EN
The aim of the paper is to present a mathematical model of the equiaxed grains growth. This model describes the solute concentration field in the real-shape Elementary Diffusion Micro-Field (EMDF) during the solidification of equaxed grains. Model can be used for different solidification mechanism: single-phase solidification, eutectic nodular graphite iron or peritectic solidification. A characteristic feature of the used model is an accounting of the realistic shape of the equiaxed grains as a result of the stochastic contacts between adjacent grains. For a description of polycrystalline structures in the simulation the Voronoi polyhedrons are used. In this case, the walls of this polyhedron are fragments of planes perpendicular to the segments joining the "nuclei" and dividing these segments into two equal parts. The specific shape and volume of these polyhedra, as well as the number of faces and edges depend on the distribution of the nearest neighbouring "nuclei". Structure of this type is formed in the case of an immediate nucleation of the grains and their spherical growth at an equal rate. The shape of such a grain is called Averaged Voronoi Polyhedron (AVP).
The study presents a mathematical model of the crystallisation of nodular graphite cast iron. The proposed model is based on micro- and macromodels, in which heat flow is analysed at the macro level, while micro level is used for modelling of the diffusion of elements. The use of elementary diffusion field in the shape of an averaged Voronoi polyhedron [AVP] was proposed. To determine the geometry of the averaged Voronoi polyhedron, Kolmogorov statistical theory of crystallisation was applied. The principles of a differential mathematical formulation of this problem were discussed. Application of AVP geometry allows taking into account the reduced volume fraction of the peripheral areas of equiaxial grains by random contacts between adjacent grains. As a result of the simulation, the cooling curves were plotted, and the movement of "graphite-austenite" and "austenite-liquid” phase boundaries was examined. Data on the microsegregation of carbon in the cross-section of an austenite layer in eutectic grains were obtained. Calculations were performed for different particle densities and different wall thicknesses. The calculation results were compared with experimental data.
W pracy został przedstawiony model matematyczny krystalizacji żeliwa z grafitem kulkowym. W modelu uwzględniona została dyfuzja w skali mikro w kierunku promieniowym w obszarze elementarnego pola mikrodyfuzji (EPMD) odpowiadającego jednej komórce eutektycznej. Zaproponowano wykorzystanie EPMD o kształcie uśrednionego wielościanu Voronoia (UWV). Dla wyznaczenia geometrii EPMD zastosowano statystyczną teorię krystalizacji Kolmogorova. Przedstawiono zasady różnicowego sformułowania matematycznego omawianego zagadnienia. Zastosowanie geometrii wielościanu Voronoia pozwala uwzględnić zmniejszenie udziału objętościowego obszarów peryferyjnych ziaren równoosiowych na skutek losowych kontaktów pomiędzy sąsiednimi ziarnami. W modelowaniu uwzględniono wpływ dyfuzji pierwiastka stopowego w cieczy na końcowy rozkład jego stężenia w ziarnie eutektycznym. W wyniku symulacji wyznaczono rozkład składnika stopowego w różnych momentach czasu zarówno dla fazy pierwotnej jak i dla fazy ciekłej, co pozwoliło na otrzymanie danych dotyczących mikrosegregacji węgla w przekroju warstwy austenitu.
EN
The study presents the mathematical model of the carbon diffusion field in the growing eutectic grain during the ductile iron solidification. In the proposed model heat flow is analyzed at the macro level, while micro level is used for modeling of the diffusion field. The use of an averaged Voronoi polyhedron (AVP) geometry was proposed as a shape of the elementary diffusion field domain. To determine the geometry of the AVP, Kolmogorov’s statistical theory of the solidification was applied. The principles of a differential mathematical formulation of this problem were discussed. Application of the AVP geometry allows taking into account the reduced volume fraction of the peripheral areas of the equiaxial grains by random contacts between the adjacent grains. The model also takes into consideration an influence of a segregation of the solute in the liquid phase on the final distribution of this element in the eutectic grain. The distribution of the solute at different time instance in the liquid phase and eutectic austenite was calculated. It allows as to obtain data on the carbon distribution in the eutectic cell at the end of the solidification process. The cooling curve was determined as well.
In the CAFD solidification modeling (Cellular Automaton + Finite Difference) as the growing grains shape, as the final microstructure of the alloy were not superimposed beforehand but were obtained in the simulation. CAFD models take into account heat transfer, components diffusion in the solid and liquid phases, nucleation kineties, solid border migration and liquid phase vanishing etc. Computer methods that include the solutions for all above mentioned phenomena are very time-consuming. The "bottleneck" of the models is the temperature field calculation. Acceleration of the well-known Gauss-Seidel (GS) iterative method of the numerical solution of the difference equations set was proposed by mean the selective reduction of the iteration number for the different equations used in the temperature field modeling. Computer modeling results obtained by the known GS method and results of the proposed reduced scheme using were compared with the known analytical solution of the Schwarz task. It was shown that the reducing of the solution tolerance results in the substantial increase of the solution time but has a smali influence on the mean quadrate deviation between the numerical results and the analytical one. Proposed solution scheme results in the significant reduction of the calculation quantity and the simulation time.
PL
W modelach krystalizacji typu CAFD (Cellular Automaton + Finite Difference), zarówno kształt rosnących ziaren, jak i ich końcowa struktura nie są zakładane z góry, lecz są wynikiem modelowania. W trakcie modelowania należy uwzględnić szereg zjawisk fizycznych takich jak: przenoszenie ciepła, dyfuzja składników w ciekłej i stałej fazie, kinetyka zarodkowania, rozrost ziaren i zanikanie fazy ciekłej i innych. Metody numeryczne, uwzględniające wszystkie wyżej wymienione zjawiska są bardzo czasochłonne. Wąskim gardłem modelu jest wyznaczenie pola temperatury. Z tego powodu została podjęta próba przyśpieszenia rozwiązania numerycznego Gaussa-Seidela (GS) dla schematu niejawnego obliczenia pola temperatury za pomocą zróżnicowanej ilości kolejnych przybliżeń stosowanych w iteracyjnym rozwiązaniu układu równań różnicowych modelu. Wyniki modelowania numerycznego otrzymane z wykorzystaniem zarówno znanego sposobu GS, jak i zróżnicowanej ilości iteracji porównano z rozwiązaniem analitycznym zadania Schwarza. Pokazano, że zmniejszenie tolerancji obliczeń znacznie wydłuża czas potrzebny dla uzyskania rozwiązania i ma niewielki wpływ na średniokwadratowe odchylenie wyników obu rozwiązań od rozwiązania wzorcowego. Zaproponowany schemat pozwala znacznie zredukować ilość wykonywanych operacji i powoduje skrócenie czasu modelowania.
6
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The Cellular Automaton - Finite Difference model (CAFD) is one of the known methods of the simulation of micro-structure evolution during the solidification. In the mesoscale CAFD modeling the outer shape of the growing grains is the result of the simulation and do not superimposed beforehand. The solidification of metals and alloys is a typical example of multiphysics and multiscale engineering systems. The phenomenon of different time and spatial scales should be taken into consideration in the modeling of a microstructure formation: heat diffusion, the components diffusion in the liquid and solid phases, the thermodynamics of phase transformation under a condition of inhomogeneous chemical composition of growing and vanishing phases, phase interface kinetics and grains nucleation. Complete numerical solution, that takes into account all above phenomena, are very time-consuming. The ability of acceleration of the implicit scheme of numerical solution was analyzed in this paper by means of the diversified number of iteration in the well-known Gauss-Seidel iterative method. For the accuracy of the proposed numerical solution the results were compared with the known exact solution of the classical one-dimension Schwarz problem.
PL
Metoda CAFD (od ang. Cellular Automaton + Finit Difference, połączenie metod automatu komórkowego i różnic skończonych) jest jedną z dobrze znanych metod modelowania zmian mikrostruktury stopów podczas krystalizacji. W modelowaniu mikrostruktury za pomocą CAFD kształt rosnących ziaren i końcowa struktura są wynikami modelowania, a nie zakładane z góry. Proces krystalizacji metali i stopów jest typowym przykładem systemów, w modelowaniu których należy uwzględniać różne zjawiska fizyczne, dla opisu których potrzebna jest zróżnicowana skala wymiarowa i czasowa. Cecha ta musi być uwzględniona w modelowaniu procesów tworzenia się mikrostruktury, a mianowicie podczas rozwiązywania zagadnień przenoszenia ciepła, dyfuzji składników w ciekłej i stałej fazach, termodynamiki nierównowagowych przemian fazowych w warunkach niejednorodności składu chemicznego rosnących ziaren i zanikającej fazy macierzystej, kinetyki zarodkowania i wzrostu ziaren. Kompletne rozwiązania numeryczne, uwzględniające opisane wyżej zjawiska są bardzo czasochłonne. W niniejszej pracy przeanalizowano możliwość przyspieszenia poszukiwania roz-wiązania numerycznego dla schematu niejawnego obliczenia pola temperatury za pomocą zróżnicowanej ilości iteracji równań modelowych. Wyniki modelowania numerycznego w celu sprawdzenia poprawności metody skonfrontowano z rozwiązaniem analitycznym zadania Schwarza.
7
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The results of a two-dimensional modeling of the microstructure formation in an eutectic ductile cast iron are presented. The cellular automaton model (CA) was used for the simulation. The model takes into account the nucleation of two kinds of grains that appear inside of the liquid during solidification: austenite and graphite. A numerical solution was used for the modeling of concentration and temperaturę fields. The parabolic nonlinear differential equations with a source function were solved by using the flnite differences method (FD) and explicit scheme. In the interface cells the value of the source function varies depending on the local undercooling. The undercooling value depends on the front curvature, the local temperaturę and the local chemical composition of the phases. Overlapping lattices with the same spatial step were used for concentration field modeling and for the CA. Another lattice for temperature field was used with a multiple spatial step and the same time step. The new grain nucleation of solid phases from a liquid is a phenomenon which must be taken into account for correct simulation of a polycrystalline structure formation. An algorithm of continuous nucleation modeling during solidification is presented. The undercooling of solid phase grain nucleation was calculated on the basis of the inverse function of the above cumulative distribution curve (fractile) with the argument equal to the random number generated in the interval 0... 1 with uniform density. The domain of correct usage of this algorithm was analyzed.
PL
Przedstawiono wyniki dwuwymiarowego modelowania procesu tworzenia się mikrostruktury eutektycznego żeliwa z grafitem kulkowym. W pracy wykorzystano model oparty na metodzie automatu komórkowego (CA od ang. Cellular Automaton). W modelu uwzględniono zarodkowanie ziaren dwu faz z cieczy podczas krystalizacji: grafitu i austenitu pierwotnego. Dla modelowania pola stężenia i temperatury wykorzystuje się rozwiązania numeryczne. Rozwiązanie parabolicznego nieliniowego równania różniczkowego z funkcją źródła uzyskuje siei metodą różnic skończonych (FD od ang. Finite Differences) ze schematem jawnym. Wartość funkcji źródła w komórkach interfejsu zależy od lokalnego przechłodzenia na froncie krystalizacji. Wartość przechłodzenia jest wyznaczana z uwzględnieniem j krzywizny granicy międzyfazowej na podstawie lokalnej temperatury i temperatury równowagi fazowej zależnej od lokalnego składu chemicznego cieczy. W modelowaniu stężenia wykorzystano nakładające się siatki FD i CA z identycznym krokiem. W modelowaniu pola temperatury zastosowano rzadką siatkę z wielokrotnym krokiem przestrzennym i identycznym krokiem j czasowym. Dla poprawnego modelowania struktury materiałów polikrystalicznych należy uwzględnić zjawisko zarodkowanie ziaren i stałych z fazy ciekłej. Opisano algorytm modelowania ciągłego i zarodkowania nowych ziaren podczas krystalizacji. Przechłodzenie, przy którym powstają zarodki ziaren nowych faz, jest obliczane na podstawie odwrotnej funkcji do dystrybuanty (kwantyl) rozkładu statystycznego Weibulla i liczb pseudolosowych o rozkładzie jednostajnym w zakresie 0...1. Przeanalizowano zakres poprawnego wykorzystania tego algorytmu.
8
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
The mathematical model of the globular eutectic solidification in 2D was designed. Proposed model is based on the Cellular Automaton Finite Differences (CA-FD) calculation method. Model has been used for studies of the primary austenite and of globular eutectic grains growth during the solidification of the ductile iron with different carbon equivalent in the thin wall casting. Model takes into account, among other things, non-uniform temperature distribution in the casting wall cross-section, kinetics of the austenite and graphite grains nucleation, and non-equilibrium nature of the interphase boundary migration. Solidification of the DI with different carbon equivalents was analyzed. Obtained results were compared with the solidification path calculated by CALPHAD method.
9
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Artykuł omawia innowacyjne metody konfigurowania systemów prostowniczych, przewidzianych do zastosowania głównie w małej i średniej skali energetyki prądów stałych i przemiennych niskiej częstotliwości. Istotą tych rozwiązań jest specyficzne powiązanie i wykorzystanie cech nowoczesnych i tanich elementów elektroniki w szczególny sposób, umożliwiający znaczną redukcję strat energii, wymiarów oraz nakładu środków, dotychczas nieuchronnie związanych z realizacją typowych rozpowszechnionych procesów prostowania napięć przemiennych, kluczowania itp. Z tytułu masowości zastosowań efekty ekonomiczne tych nowych rozwiązań stanowić mogą olbrzymi wkład w jakże aktualnym, naglącym procesie oszczędzania energii elektrycznej.
EN
The paper discusses innovative methods for configuring rectifying circuits, mainly for applications in low and medium scale DC and low frequency AC energetic systems. The substance of these solutions are specific conjunctions and utilizing the modern and cheap elements of electronics in a peculiar way, enabling a significant reduction of energy losses, of dimensions, as well as of expenses, till now inevitably bound with the realization of the typical propagated AC rectifying processes, current keying etc. On ground of mass-use scale – the economical effects of these new solutions may create an enormous contribution in the unavoidable and urgent electric energy saving process.
Artykuł omawia najnowsze trendy i rozwiązania w bieżącej technice doświetlania roślin, niezbędnej dla intensyfikacji ich upraw. Niezwykle prawdopodobny staje się rozwój tej techniki w perspektywie jutra, umożliwiający wysoce efektywne doświetlanie roślin z wykorzystaniem diod LED zasilanych z autonomicznych instalacji fotowoltaicznych. Diody LED, cechujące się obszernym wachlarzem doboru i modelowania charakterystyki widma oraz olbrzymią sprawnością, niedoścignioną wśród źródeł eksploatowanych dotychczas, stają się coraz bardziej popularne w świecie. Specjalistyczne metody zasilania diod LED, w tym także atrakcyjne fotowoltaiczne, wymagają - tak jak i same diody, jeszcze nieco podwyższonych kosztów eksploatacji. Maleją one jednak dość raptownie w miarę niezwykle szybkiego rozwoju elektroniki, oferując w zamian szeroką paletę możliwości eksperymentowania we wszystkich aspektach fotosyntezy.
EN
The paper discusses the latest trends and solutions in actual plants' irradiation technique as well in the sphere of their cultivation's intensification. The development of these techniques in terms of tomorrow becomes uncommonly probable, permitting a highly effective plants' irradiation by means of LED diodes, powered from the autonomous photovoltaic installations. The LED diodes featuring a wide spectrum of choiced and modelled light characteristics and an enormous efficiency, not to be obtained among the up to now exploited light sources - become more and more popular on the world. The specialized LED diodes' powering methods, including attractive photovoltaic ones, still need - so as the diodes themselves - some elevated exploitation costs. Nevertheless these latter become precipitately lowered, as the consequence of extensive development of electronics, offering in turn a wide bundle of experimental possibilities in all the aspects of photosynthesis.
Superkondensatory stanowią nowość w technice prądów stałych, szczególnie jako elementy umożliwiające realizację bardzo szybkich procesów ładowania i rozładowania energii, niemal nieograniczonych w porównaniu z konwencjonalnymi akumulatorami kwasowymi. Biorąc pod uwagę zarówno mniejsze wymiary w przeliczeniu na moc szczytową, bardzo wysoką trwałość, korzystne poziomy bezpieczeństwa i toksyczności, ale także wyższe koszty, jak i skomplikowaną elektronikę podstawowych funkcji i konserwacji - można stwierdzić, że superkondensatory cechują się bardzo atrakcyjnymi, wartościowymi lecz i kontrowersyjnymi cechami. Można oczekiwać, że już w niedalekiej przyszłości te typy kondensatorów z pewnością uzupełnią lub zastąpią kłopotliwe w użyciu akumulatory w większości autonomicznych instalacji fotowoltaicznych, szczególnie tam gdzie operuje się wysokimi szczytowymi udarami mocy. Artykuł przedstawia opis wstępnych działań ze strony autorów w omawianej tematyce.
EN
Supercapacitors present a novelty in the DC technique, especially as elements enabling very fast energy charging and discharging processes, almost unrestricted in comparison with those offered by conventional acid batteries. Considering smaller dimensions per power peak unit, very high durability, good safety level and low toxicity, but also higher initial costs, as well as complicated electronic circuits for basic control processes and maintenance - the supercapacitors are performing very interesting, valuable, but also controversial features. It may be expected, that in near future these capacitor types will certainly supplement or replace the troublesome batteries in most of the autonomous PV installations, especially there, where high peak power values are operated. In the paper initial attempts undertaken by the Authors in the discussed sphere are presented.
W artykule usiłowano dokonać porównań ogólnych danych eksploatacyjnych przykładowych lamp oświetleniowych, wyposażonych wewnątrz w kilka sztuk diod LED oraz tradycyjnych lamp wolframowych. Intensywność świecenia ich wszystkich oszacowano wstępnie jako zbliżoną lecz bez sprecyzowania okoliczności warunków tej oceny. Te ostatnie, jak i pewne pozostałe stały się przedmiotem praktycznych i teoretycznych badań i porównań. Ogólna wiedza dotycząca tej tematyki staje się obecnie szczególnie ważna, zwłaszcza z powodu aktualnych dyrektyw Unii Europejskiej, wymagających niemal niezwłocznej redukcji oświetlenia żarowego z przyczyn energetycznych i ekologicznych.
EN
The paper describes an attempt comparing the general exploitation data of exemplary modern lighting bulbs equipped inside with several pieces SSL-LEDs and of a traditional tungsten incandescent bulb. The light intensities of them are initially estimated as similar but without precise reporting any further details and circumstances. Just these last ones, as well as some others, are the goals of practical and theoretical investigations and comparisons, carried on and revealed in the paper. The general knowledge dealing with such themes is at present of special importance, more particularly as the actual EU directives are demanding an almost immediate reduction of tungsten lighting, because of energetic and ecological reasons.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.