吹氣攪拌法制備泡沫鋁工藝的氣泡—金屬熔體兩相流的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdf

1、閉孔泡沫金屬是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有大量孔隙的新型功能材料。它具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，工業(yè)中有著重要的應(yīng)用和廣闊的發(fā)展前景。制備泡沫金屬的方法很多，其中吹氣發(fā)泡法因?yàn)樵O(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、可以連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)，更適用于規(guī)模化生產(chǎn)。在制備泡沫金屬過程中，如何控制氣泡的尺寸及其均勻度是該項(xiàng)工藝的核心問題。由于影響泡沫尺寸及其分布的因素眾多，為了尋求能夠?qū)ιa(chǎn)過程和產(chǎn)品性能進(jìn)行科學(xué)控制的有效手段，需要對(duì)泡沫形成過程中的各個(gè)影響因素進(jìn)行全面、系統(tǒng)的研究。本文

2、采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)泡沫鋁發(fā)泡特性及發(fā)泡過程中氣泡-熔體兩相流動(dòng)過程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：在自制井式爐內(nèi)進(jìn)行吹氣發(fā)泡法制備泡沫鋁的實(shí)況工藝實(shí)驗(yàn)。研究不同工藝參數(shù)對(duì)泡沫鋁成品結(jié)構(gòu)和性能的影響。并以泡沫鋁的空氣發(fā)泡過程為研究對(duì)象，依據(jù)相似原理進(jìn)行水模擬(聚乙烯醇水溶液)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M在無渦流場(chǎng)狀態(tài)下進(jìn)行，通過改變?nèi)肷鋲嚎s空氣的壓力與流量、聚乙烯醇水溶液的黏度

3、以及通氣孔的直徑，對(duì)入射空氣在聚乙烯醇水溶液中形成氣泡的過程以及氣泡在水溶液中的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M是在強(qiáng)旋渦流場(chǎng)條件下，主要考慮攪拌速度、發(fā)泡室尺寸以及攪拌軸位置等因素對(duì)鋁泡沫尺寸和分布的影響，探討氣泡在渦流場(chǎng)中的行為和變化規(guī)律。 氣泡直徑是影響泡沫鋁性能的非常重要的因素。本文應(yīng)用動(dòng)力學(xué)平衡半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，分析氣體通過銳孔在靜止黏性液體中形成氣泡的過程，預(yù)測(cè)氣泡直徑，確定影響氣泡尺寸的主要因素。計(jì)算結(jié)果表明，在一

4、定物性及一定銳孔直徑的情況下，流量是影響氣泡大小的重要因素。隨著流量的增加，氣泡直徑增大。相同氣體流量下，表面張力系數(shù)越大，銳孔直徑越大，得到的氣泡直徑越大。液體密度的影響表現(xiàn)得較為復(fù)雜，當(dāng)流量較小時(shí)，氣泡體積隨液體密度的增大而減??；當(dāng)流量增加時(shí)，液體密度的影響便減小。 應(yīng)用雙流體模型及兩相k-ε湍流模型分別描述氣體在靜止液態(tài)金屬中單孔射流及多孔射流兩相流動(dòng)，在總結(jié)和分析文獻(xiàn)中氣泡-液體雙流體模型的基礎(chǔ)上，提出虛擬入口的方法以簡(jiǎn)

5、化孔口氣泡形成過程，對(duì)氣液相間作用力模型及湍流模型進(jìn)行改進(jìn)，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，表明氣液相間作用力修正對(duì)氣液體系流體動(dòng)力學(xué)行為有重要影響，改進(jìn)的模型具有較好的預(yù)測(cè)能力。考察了液相密度、液相黏度、氣泡直徑、熔池尺寸、通氣孔的數(shù)目及位置對(duì)氣含率分布、氣泡上升速度和液速的影響。單孔條件下兩相流中液相物性會(huì)影響氣泡分布。降低液體密度，增加液體黏度，縮小熔池尺寸，會(huì)使氣泡分布更加均勻；氣泡尺寸也會(huì)影響氣泡分布，氣泡越小，分布更均勻。 熔

6、池內(nèi)加入斜葉攪拌槳，在靜態(tài)條件下氣液兩相流動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，分析攪拌箱內(nèi)的流動(dòng)及氣泡分布。攪拌槳的放置分為垂直于液面，平行于液面及與液面傾斜三種不同的形式。對(duì)槳葉的處理應(yīng)用多重參考系(MRF)模型。在湍流雙流體模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用二維MRF模型描述攪拌軸平行于液面的流場(chǎng)，應(yīng)用準(zhǔn)三維MRF模型(即分別在橫向和縱向截面內(nèi)進(jìn)行二維流場(chǎng)計(jì)算)對(duì)氣泡在三維環(huán)境的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行近似模擬。最后，應(yīng)用三維MRF模型模擬攪拌軸與液面傾斜條件下的三維流場(chǎng)，得到了全流場(chǎng)

7、的特性及氣含率分布特性。 本文在雙流體模型中加入氣泡數(shù)平衡模型，將其用于描述氣液體系的氣泡尺寸分布。通過考慮氣泡的聚合和破碎對(duì)氣泡尺寸的影響，具體分析氣泡在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、氣含率及氣泡尺寸的分布。結(jié)果表明對(duì)于不同的液相物性及不同的槳葉轉(zhuǎn)速和氣體流率，氣含率及氣泡直徑均有變化。液體黏度增大，氣泡直徑隨之減??；發(fā)泡室容積增大，泡沫尺寸也隨之增大；氣泡直徑隨著氣流量和通氣孔直徑的增大而增大，但是當(dāng)通氣孔直徑增大到一定值時(shí)，氣泡直徑增大的