Teilprojekt II - Konvektionsinduzierte Morphologieübergänge - der Forschergruppe `Grenzflächendynamik bei Strukturbildungsprozessen`

Strukturbildungserscheinungen im nichtfacettierten Kristallwachstum werden auf der Basis eines Kontinuumsmodells untersucht. Dabei wird der Einfluss der Konvektion berücksichtigt. Ein kombinierter Phasenfeld/Gitter-Boltzmann-Ansatz wird zur Simulation dendritischen Wachstums in einer unterkühlten Schmelze benützt. Der Phasenübergangsprozess wird mittels des Phasenfeldmodells von Karma und Rappel behandelt, während die Strömung im Rahmen eines Gitter-Boltzmann-Verfahrens (LBGK) simuliert wird, in das die Wechselwirkung mit dem Festkörper sowie thermische Konvektion integriert wurden. Bisher beschränken wir uns auf das symmetrische Modell. Um Wärmetransport durch Leitung und Konvektion zu simulieren, benützen wir die Mehrkomponenten-LBGK-Methode. Der Schritt der Strömungssimulation kann im Fall rein diffusiven Wachstums entfallen. Je nach der Stärke der Anisotropie der Oberflächenspannung und der Unterkühlung erhalten wir in den Simulationen Dendriten oder Dublonen. Dendritisches Wachstum in einer Scherströmung wurde für verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten simuliert, ebenso Wachstum unter natürlicher Konvektion mit verschiedenen Orientierungen des Kristalls im Gravitationsfeld. Der Einfluss paralleler Strömung auf den Arbeitspunkt der Dendritenspitze wurde untersucht. Darüberhinaus haben wir erste Simulationen von Kristallwachstum in einem Kanal mit eingeprägter antiparalleler Strömung durchgeführt.

Project II - Morphological instability in crystal growth: Influence of convection - within the researchers group `Interface dynamics in pattern formation`

Pattern formation in nonfacetted crystal growth is investigated on the basis of a continuum model, taking into account he influence of convection. A composite phase-field/lattice-Boltzmann scheme is used to simulate dendritic growth from a supercooled melt. The phase change part of the problem is modelled by the phase-field approach of Karma and Rappel, whereas the flow of the liquid is simulated by the lattice-Boltzmann-BGK (LBGK) method into which interactions with solid and thermal convection are incorporated. So far, we have restricted ourselves to the symmetric model. To simulate conductive and convective heat transfer, we use the multicomponent LBGK method. The step of flow simulation can be dropped out in the case of purely diffusional growth. Depending on the level of anisotropy and undercooling, dendrites or doublons were obtained in simulations. Dendritic growth in a shear flow was simulated for different flow velocities as well as the growth in presence of natural thermal convection with different orientations of the crystal in the gravitational field. The influence of parallel flow on the operating state of the tip of the dendrite was investigated. Moreover, we have performed first simulations of crystal growth in a channel, with an imposed antiparallel flow.