泡沫鋁制備過程氣液兩相湍流數值模擬研究.pdf

1、泡沫金屬是一種內部含有大量孔隙結構的新型功能材料和結構材料，具有優異的熱學性能、力學性能、聲學性能、電池屏蔽性能以及可回收再利用等特性，在汽車工業、航空航天工業、建筑業、造船業、機械電子制造業和生物醫學等領域有著廣泛的應用和發展前景。在眾多制備泡沫金屬的工藝中，吹氣發泡法制備泡沫金屬以其設備簡單、成本低以及可以實現規模生產等優點成為制備泡沫金屬的先進加工工藝之一，尤其以鋁以及鋁合金泡沫金屬為當前的研究熱點。泡沫鋁合金制備技術現今已經成為

2、21世紀各國材料科學領域研究與開發的重點。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工藝的核心問題。在金屬鋁熔體中氣泡的形成、運動以及分散過程中，影響氣泡分布均勻性的因素很多。傳統的經驗方法是采用小規模的試驗方法，這種方法成本高，制備周期較長，而且工作量大，另外無法認識到各種操作參數對制備工藝的影響作用，以及了解過程的機理及其相關規律。而數值模擬計算技術使用方便快捷并且通用性強，可以深入地揭示過程的物理機制，而且可以在短時

3、間內獲得過程中各種影響因素的分析與優化，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泡法制備泡沫鋁過程中的液態金屬鋁液—氣泡兩相湍流流動的過程進行數值模擬。從單孔底部中心噴吹空氣以及多孔底部噴吹空氣兩個方面進行研究，主要揭示液態金屬鋁液發泡過程的氣泡的運動特性，從而為泡沫鋁的制備工藝及其優化提供理論依據和相應的預測模型。
　　單孔底部中心噴吹空氣的模擬結果為：空氣進入熔池后，鋁液與氣泡相互作用沿中

4、心軸線上升，在近壁面處向下運動，使得熔池內鋁液再循環；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??；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；當氣體流率為1.0L/min時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；在一定入射速度和夾角φ值下，隨著