定向凝固各向异性枝晶生长 相场模拟 1.依据Kobayashi的经典模型，实现定向凝固各向异性枝晶生长（可定量修改相关参数） 2.matlab手写代码，利用快速求解方法求解方程，代码注释详细 3.可利用paraview展示结果，改善显示效果 相关详细文献资料

定向凝固各向异性枝晶生长相场模拟软件

——功能说明书（V1.0）

一、产品定位

本软件是一款面向材料凝固微观组织研究的“零编译”相场模拟工具。用户无需掌握有限元或并行编程，仅通过修改“材料-工艺参数表”即可在单机上完成定向凝固过程中各向异性枝晶形貌的演化计算，并一键输出：

1. 高空间分辨率（300×600 以上）的相场与温度场图像序列；
2. 可用于三维重构的二维切片数据（.mat）；
3. 演化动画（.gif）与中间数据（.tif），直接用于论文或报告。

二、核心能力

1. 物理模型
   – 采用 Kobayashi 经典定向凝固模型，耦合各向异性表面能与热扩散；
   – 支持一次臂取向、各向异性强度、热梯度、抽拉速度四大工艺参数任意组合；
   – 内置正则化过冷度，可抑制界面厚度对网格分辨率的敏感依赖。

1. 数值算法
   – 全谱方法：Fourier 半隐谱求解相场，恒温 Neumann 边界，温度场显式谱更新；
   – 线性算子对角化，时间步长仅受 CFL 条件限制，单核 CPU 即可在 3 min 内完成 1800 步演化；
   – 自动边界归零与周期延拓，无需用户手动干预。

1. 工程化特性
   – “参数-结果”双向可追溯：每次运行自动生成带时间戳的日志文件，记录输入参数、Git 版本、硬件指纹；
   – 断点续算：在意外中断后，可读取最后一张 .mat 场图继续计算；
   – 资源守护：运行前自动评估所需内存，若不足则给出预估并优雅退出；
   – 多格式输出：tif（无损）、png（压缩）、mat（二进制）、gif（动画）四种格式同时落盘，满足期刊、PPT、后续机器学习训练等不同场景。

三、业务流程

用户视角的完整流程仅四步：

① 开箱验证

双击 checkenv.m，脚本自动检测 MATLAB 版本（≥R2018b）、Image Processing Toolbox、可用内存 ≥4 GB，全部绿灯后生成 envok.flag。

② 参数配置

打开 config_template.xlsx，在“材料”页填写：

• 各向异性强度 δ（0–0.5）
• 四次对称臂取向 θ0（°）
• 热扩散系数 k_T
  在“工艺”页填写：
• 过冷度系数 α
• 界面动力学系数 τ
• 总步数 nstep、输出频度
  保存为 my_exp.xlsx 即可，无需触碰代码。

③ 一键运行

在 MATLAB 命令行：

>> pf = DirectionalSolidification('my_exp.xlsx'); pf.run();

定向凝固各向异性枝晶生长 相场模拟 1.依据Kobayashi的经典模型，实现定向凝固各向异性枝晶生长（可定量修改相关参数） 2.matlab手写代码，利用快速求解方法求解方程，代码注释详细 3.可利用paraview展示结果，改善显示效果 相关详细文献资料

运行期间，实时弹出进度条与剩余时间估计；计算完成后自动在 ./result/<时间戳>/ 目录生成全部文件。

④ 结果后处理

软件自带 postplot 模块：

>> pf.postplot('type','growth_rate');

可一键绘制：

• 一次臂间距 λ1 vs 时间
• 尖端速度 V_tip vs 1/过冷度
• 固相分数曲线
  所有图窗均输出矢量 PDF，满足期刊投稿要求。

四、内部流程（供维护人员参考）

1. 初始化
   a. 读取 xlsx → 转 struct par
   b. 根据网格尺寸预分配 GPU/CPU 内存
   c. 生成波矢 kx, ky 并缓存为 .mat 临时文件，避免重复计算 sin 函数

1. 主循环（伪代码，关键公式脱敏）
   for step = 1:nstep
   ⑴ 界面梯度 → 计算 θ
   ⑵ 各向异性模量 e(θ)
   ⑶ Fourier 空间更新相场 φ
   ⑷ Fourier 空间更新温度场 T
   ⑸ 边界归零 & 输出落盘
   end

1. 数据落盘策略
   – 每 50 步同步写入磁盘，使用 imwrite 的 ‘Compression’=‘lzw’ 选项，平均单张 tif < 200 kB；
   – gif 采用 “append” 模式，DelayTime 动态调整：当检测到相邻帧相似度 > 95 % 时自动跳帧，保证动画流畅且体积 < 5 MB。

五、性能指标

硬件：i7-12700H / 16 GB / Win11 / MATLAB R2023a

网格 300×600，1800 步，单核运行：

• wall time ≈ 2 min 40 s
• 峰值内存 ≈ 1.8 GB
• 输出文件总量 ≈ 60 MB（含 36 张 tif、1 个 gif、2 个 mat）

六、扩展接口

1. 用户自定义各向异性函数
   只需在 ./userfunc/ 新建 anisotheta.m，函数签名为
   function e = aniso_theta(theta, par)
   主程序运行前自动将其注入，无需重新打包。

1. 批处理与反演
   提供 batch.m 模板，支持并行池：
   parfor i = 1:n_delta
   可一次性扫描 20 组 δ 参数，输出 λ1(δ) 曲线，用于与实验数据反演拟合。

七、注意事项与最佳实践

– 网格建议保持 2:1 的横纵比，可抑制“横向挤压”数值伪影；

– 当 δ > 0.3 时，建议将界面厚度 ε 缩小 20 %，以免出现“针状”不稳定；

– 若需 600×1200 高分辨率，请先执行 memoryTest()，确保空闲内存 ≥ 8 GB；

– gif 输出仅用于快速预览，正式投稿请使用 tif 序列，300 dpi 以上。

八、获取帮助

• 快速上手：doc 目录自带 QuickStart.pdf（10 分钟读完即可出图）；
• 算法细节：参考 doc/Theory.pdf，内含谱方法推导与 von Neumann 稳定性分析；
• 问题反馈：在 GitHub Discussion 区发帖，维护团队 48 h 内响应。

—— 以上即为定向凝固各向异性枝晶生长相场模拟软件的功能全景。用户端仅需“填表-运行-出图”三步，即可获得满足 SCI 期刊要求的微观组织演化数据；维护端通过模块化接口与自动化测试，可持续迭代模型而不影响上层业务。