泡沫鋁制備過程氣液兩相湍流數(shù)值模擬研究.pdf

1、泡沫金屬是一種內(nèi)部含有大量孔隙結(jié)構(gòu)的新型功能材料和結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的熱學(xué)性能、力學(xué)性能、聲學(xué)性能、電池屏蔽性能以及可回收再利用等特性，在汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、建筑業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子制造業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。在眾多制備泡沫金屬的工藝中，吹氣發(fā)泡法制備泡沫金屬以其設(shè)備簡單、成本低以及可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為制備泡沫金屬的先進(jìn)加工工藝之一，尤其以鋁以及鋁合金泡沫金屬為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。泡沫鋁合金制備技術(shù)現(xiàn)今已經(jīng)成為

2、21世紀(jì)各國材料科學(xué)領(lǐng)域研究與開發(fā)的重點(diǎn)。在制備泡沫鋁的過程中，如何控制氣泡分布的均勻程度成為該項(xiàng)工藝的核心問題。在金屬鋁熔體中氣泡的形成、運(yùn)動以及分散過程中，影響氣泡分布均勻性的因素很多。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法是采用小規(guī)模的試驗(yàn)方法，這種方法成本高，制備周期較長，而且工作量大，另外無法認(rèn)識到各種操作參數(shù)對制備工藝的影響作用，以及了解過程的機(jī)理及其相關(guān)規(guī)律。而數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)使用方便快捷并且通用性強(qiáng)，可以深入地揭示過程的物理機(jī)制，而且可以在短時(shí)

3、間內(nèi)獲得過程中各種影響因素的分析與優(yōu)化，是一種十分有效的研究方法。
　　本文采用歐拉-拉格朗日兩相流模型對吹氣發(fā)泡法制備泡沫鋁過程中的液態(tài)金屬鋁液—?dú)馀輧上嗤牧髁鲃拥倪^程進(jìn)行數(shù)值模擬。從單孔底部中心噴吹空氣以及多孔底部噴吹空氣兩個(gè)方面進(jìn)行研究，主要揭示液態(tài)金屬鋁液發(fā)泡過程的氣泡的運(yùn)動特性，從而為泡沫鋁的制備工藝及其優(yōu)化提供理論依據(jù)和相應(yīng)的預(yù)測模型。
　　單孔底部中心噴吹空氣的模擬結(jié)果為：空氣進(jìn)入熔池后，鋁液與氣泡相互作用沿中

4、心軸線上升，在近壁面處向下運(yùn)動，使得熔池內(nèi)鋁液再循環(huán)；在相同氣體流率下鋁液的軸向速度沿徑向方向有所增加；通氣孔附近的湍動能和湍動能耗散率最大，沿著熔池高度方向，其值逐漸減小；在四種不同氣體流率下，氣泡分布不均勻度集中在0.35-0.55之間；當(dāng)氣體流率為1.0L/min時(shí)氣泡濃度分布不均勻度最小，從而有利于泡沫的收集。多孔底部噴吹空氣的模擬結(jié)果為：出口截面的氣泡分布與空氣的入射速度、夾角θ以及夾角φ有關(guān)；在一定入射速度和夾角φ值下，隨著