铸造充填解析
理论：浇注系统与自由表面流动
概述
既然要做充型分析，直浇道尺寸还需要手算吗？
先手算出初步方案再做分析效率最高。浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道的组合）的很大部分可以由伯努利方程和连续性方程确定。流量由铸件体积和充型时间确定，流速由落差确定，最窄部分（阻流截面）限制流量。把阻流截面设在直浇道底部、其后的横浇道和内浇道逐渐扩大以降低流速的是开放式浇注系统，适合铝合金这类易氧化的金属。充型分析用于检查按这个初步方案金属液实际如何流动，即各内浇道流量的偏差、液流飞溅、空气卷入以及温度下降导致的浇不足，并修改细节。不做初步方案只画形状就跑分析，修改方向不明确，试错会很漫长。
浇注系统基本公式
C_d为流量系数（摩擦和弯头损失），h为落差，Q为流量，v_max为内浇道允许的最大流速，h_top、h_base为到直浇道上端和底部的落差。
VOF法与铸造仿真
求解自由表面流动的VOF法，由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Hirt和Nichols于1981年发表。它追踪每个网格中“液体所占体积比例”，能处理界面大幅变形、断裂和合并的流动。铸造充型正是这样的流动，1980年代后期起基于VOF法的铸造仿真软件相继实用化。
算例
初始设计假设压头恒定、流量系数0.8。0.5 m/s只是平均内浇口速度参考，不保证各浇口瞬态速度或不卷气。厚度方向3个单元仅是初始分辨率，仍必须检查网格依赖性。
例：5 kg铝铸件的浇注系统（充型时间10秒，到直浇道底部落差250 mm）
| 项目 | 值 |
|---|---|
| 铸件体积（液态密度2,385 kg/m³） | 2.10 L |
| 流量 | 0.21 L/s |
| 直浇道底部流速（理论 / 流量系数0.8） | 2.21 / 1.77 m/s |
| 阻流截面（直浇道底部） | 118 mm²（直径12.3 mm） |
| 内浇道总截面（≤ 0.5 m/s） | 419 mm² |
| 阻流:内浇道 | 1 : 3.5 |
| 直浇道上端截面（落差50 mm） | 265 mm²（底部的2.24倍） |
内浇道流速参考值0.5 m/s是为避免铝合金卷入氧化膜而设的。流量系数随横浇道弯头和长度而变，应在充型分析中确认各内浇道的实际流速。
内浇道总截面做到了419 mm²，充型分析中最近的内浇道却以1.2 m/s喷出。为什么？
因为流量没有均匀分配到各内浇道。横浇道中的金属液带有动量，容易越过靠近直浇道的内浇道而集中到远端的内浇道；反过来，积在横浇道末端的金属液也可能反弹，从近处的内浇道一下子冲出。即使总截面足够，流量集中在一处时，该内浇道的流速就会超过目标。对策有：延长横浇道末端以接住最初的脏金属液和冲力，按内浇道改变截面以均衡流量，使横浇道逐级变细以在各内浇道前保持压力等。充型分析中，要点是监测各内浇道流量和流速随时间的变化，确认哪个内浇道在何时起作用。
实务流程
- 由铸件体积、充型时间和落差手算确定阻流、横浇道和内浇道截面。
- 以薄壁处至少3个网格的网格（3 mm壁厚则≤1 mm）设置VOF充型分析。
- 确认各内浇道的流量和流速、金属液表面速度和空气卷入。
- 计入温度下降和流动阻力，评估浇不足和冷隔的风险。
- 把充型结果作为初始条件传给凝固分析。
“透过玻璃窗铸型看到的流动”
充型分析的验证常用一面为玻璃的铸型，或一边浇注一边用X射线透视的实验。实际看到的金属液比计算中想象的飞溅得剧烈得多，往往碎成薄膜四散。把分析与实验的画面按同一时刻并排比较，流量系数、表面张力和铸型排气的设置是否合理一目了然，能大大提高分析的可信度。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 只按总截面确定内浇道 | 流量集中于一个内浇道 | 确认各内浇道流量 |
| 直筒形直浇道 | 吸入空气 | 向下收缩 |
| 薄壁处网格太粗 | 误判浇不足 | 壁厚方向至少3个网格 |
| 忽略铸型排气 | 背压使充型延迟 | 设置排气 |
| 不求解温度 | 漏判浇不足 | 热与流动耦合 |
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常见问题
铸造充型分析计算什么？
把金属液经过直浇道、横浇道、内浇道流入铸型并排出空气的过程，作为有自由表面的非稳态流动来计算。一般用VOF法追踪金属液与空气的界面，同时求解温度以及金属液冷却开始凝固导致的流动阻力。用于预测浇不足、卷入空气和氧化膜、冷隔（冷却的金属液流未能熔合的缺陷）。
直浇道和内浇道的尺寸怎么确定？
由流量和流速确定。5 kg铝铸件10秒充满时流量为0.21 L/s，250 mm落差使直浇道底部流速为2.2 m/s（流量系数0.8时为1.77 m/s），最窄的阻流截面为118 mm²。要在内浇道把流速降到0.5 m/s以下，需要419 mm²，阻流:内浇道约为1:3.5的开放式浇注系统。
直浇道为什么要做成上大下小？
因为金属液越往下落越快，液流截面越细。直筒形直浇道中金属液会脱离壁面形成负压而吸入空气。浇口杯到直浇道上端50 mm、到底部250 mm时，使上端截面为底部的√(250/50) ≈ 2.24倍，金属液就能贴着壁面流动。
参考资料与检验范围
所列数值是基于文中假设的教学参考计算。资料用于理论和设置参考，不证明已在各软件中复现这些数值。工程决策须按实际条件验证。