金属熔体中气泡几何及运动特性的数值模拟

摘要

本文首先对国内外气泡—液体两相流的研究历史和现状进行了比较系统全面的综述和分析.在此基础上,分析泡沫铝制取过程中单个气泡的产生,并估算气泡尺寸.为了揭示高温金属熔体中气泡运动规律及其影响因素,本文应用界面追踪技术——流体体积函数法VOF对铝熔体中气泡几何及运动特性进行了数值模拟.分析预测了静止流场中单个气泡的变形、上升规律和静止液体中两个气泡的合并.最后,应用多参考系模型MRF和准三维模型(即分别在横向和纵向截面内进行二维流场计算)对气泡在三维环境的运动进行近似的模拟.气泡被高速旋转的叶片搅碎,在横向截面内,气泡会由于叶片中心低压产生的吸力被吸向中心;在纵向截面内,气泡会沿着流场的漩涡在浮力作用下向上做不规则摆动.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明

1绪论

1.1课题背景

1.2泡沫金属研究概况

1.3气泡在液体中运动的研究

1.4本文研究内容

2气泡—熔体两相流及数值方法

2.1控制方程

2.2流体运动界面追踪

2.2.1运动界面追踪方法简介

2.2.2 MAC方法

2.2.3 VOF方法

2.2.4流体体积方程的求解

2.2.5计算表面张力的CSF模型

2.3方程的离散化

2.3.1网格生成

2.3.2离散化方程

2.4压力—速度耦合关系的处理

2.4.1 SIMPLE系列算法

2.4.2 PISO算法

2.5 FLUENT软件简介

3熔体中气泡的形成及其尺寸的计算

3.1单个气泡的形成

3.1.1仅有浮力和表面张力的情况

3.1.2有浮力、阻力、表面张力和惯性力并存的情况

3.1.3影响气泡尺寸的因素

3.2连续气体射流

3.2.1向连续气流转变的临界速度

3.2.2估算临界速度

3.2.3连续射流的气泡尺寸

3.3小结

4金属熔体中气泡运动的数值模拟

4.1求解步骤

4.2工业传热流体中氮气泡运动

4.3气泡在液态铝熔体中的变形规律

4.3.1气泡的运动及形状

4.3.2气泡变形的数值模拟

4.4单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹

4.5两个气泡的合并

4.6小结

5旋转流场中气泡的运动

5.1多参考系模型MRF

5.2横向截面的模拟

5.3纵向截面的模拟

5.4小结

6结论与展望

6.1主要工作

6.2主要结论

6.3展望未来

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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