泡沫铝制备过程气液两相湍流数值模拟研究

摘要

泡沫金属是一种内部含有大量孔隙结构的新型功能材料和结构材料，具有优异的热学性能、力学性能、声学性能、电池屏蔽性能以及可回收再利用等特性，在汽车工业、航空航天工业、建筑业、造船业、机械电子制造业和生物医学等领域有着广泛的应用和发展前景。在众多制备泡沫金属的工艺中，吹气发泡法制备泡沫金属以其设备简单、成本低以及可以实现规模生产等优点成为制备泡沫金属的先进加工工艺之一，尤其以铝以及铝合金泡沫金属为当前的研究热点。泡沫铝合金制备技术现今已经成为21世纪各国材料科学领域研究与开发的重点。在制备泡沫铝的过程中，如何控制气泡分布的均匀程度成为该项工艺的核心问题。在金属铝熔体中气泡的形成、运动以及分散过程中，影响气泡分布均匀性的因素很多。传统的经验方法是采用小规模的试验方法，这种方法成本高，制备周期较长，而且工作量大，另外无法认识到各种操作参数对制备工艺的影响作用，以及了解过程的机理及其相关规律。而数值模拟计算技术使用方便快捷并且通用性强，可以深入地揭示过程的物理机制，而且可以在短时间内获得过程中各种影响因素的分析与优化，是一种十分有效的研究方法。
　　本文采用欧拉-拉格朗日两相流模型对吹气发泡法制备泡沫铝过程中的液态金属铝液—气泡两相湍流流动的过程进行数值模拟。从单孔底部中心喷吹空气以及多孔底部喷吹空气两个方面进行研究，主要揭示液态金属铝液发泡过程的气泡的运动特性，从而为泡沫铝的制备工艺及其优化提供理论依据和相应的预测模型。
　　单孔底部中心喷吹空气的模拟结果为：空气进入熔池后，铝液与气泡相互作用沿中心轴线上升，在近壁面处向下运动，使得熔池内铝液再循环；在相同气体流率下铝液的轴向速度沿径向方向有所增加；通气孔附近的湍动能和湍动能耗散率最大，沿着熔池高度方向，其值逐渐减小；在四种不同气体流率下，气泡分布不均匀度集中在0.35-0.55之间；当气体流率为1.0L/min时气泡浓度分布不均匀度最小，从而有利于泡沫的收集。多孔底部喷吹空气的模拟结果为：出口截面的气泡分布与空气的入射速度、夹角θ以及夹角φ有关；在一定入射速度和夹角φ值下，随着夹角θ值的增加，气泡在出口截面的分布越来越不均匀；在一定夹角φ值和夹角θ值下，随着入射速度的增加，气泡在出口截面处的分布也越来越不均匀；当空气的入射速度为10m/s，夹角θ为30°，夹角φ为30°时，气泡在出口截面处的分布最为均匀，这样可以制得密度等级较高的泡沫铝制成品。

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引 言

1 绪论

1.1 泡沫金属的研究现状

1.2 气液两相流的研究现状

1.3 本章小结

2 液态金属铝液-气泡两相湍流的物理和数学模型

2.1 单孔底部中心喷吹空气制备泡沫金属的物理模型

2.2 多孔底部喷吹空气制备泡沫金属的物理模型

2.3 数学模型的建立

2.4 本章小结

3 计算区域的离散以及控制方程的离散

3.1 网格的划分

3.2 控制方程的离散

3.3 本章小结

4 单孔底部喷吹空气的模拟结果及分析

4.1 不同气体流率下的液态金属铝液的流动特性

4.2 气泡质量浓度分布

4.3 不同粘度铝液对液相流场结构和气泡质量浓度分布的影响

4.4 本章小结

5 多孔底部喷吹空气的模拟结果及结果分析

5.1 气泡的运动特性

5.2 液态金属铝液的流场结构

5.3 入射速度、夹角θ和夹角φ对出口截面气泡分布的影响

5.4 本章小结

结 论

参考文献

在学研究成果

致谢