泡沫金属发泡过程的泡沫演化动力学研究

论文摘要

闭孔泡沫金属是一种内部结构含有大量孔隙的新型功能材料,以其独特的结构和优异的物理性能、机械性能、声学性能和热性能,以及可回收利用性等,成为一种极具开发前途的工程材料。在众多制备泡沫金属的方法中,吹气发泡法因为设备简单、成本低、可以连续生产等特点,更适用于规模化生产。生产过程中,如何控制气泡的尺寸大小及与分布、以及其拓扑结构是该项工艺的核心问题。从发泡到凝固成型,从湿泡沫到干泡沫再到泡沫金属成品过程中,影响泡沫尺寸及其分布的因素众多,单纯通过传统的以小规模实验为主的经验方法,不仅工作量大,周期长,成本高,而且很难全面了解各种参数的影响,更无法掌握其机理与规律。本文以相关实验研究为依据,采用数值模拟方法对金属泡沫从液态到固态的演化过程动力学行为进行系统分析,从深层次上揭示液态金属演化过程的动力学机制,为吹气法制备泡沫金属提供准确而可靠的科学依据和理论预测模型。主要研究内容和成果包括以下几个方面:对泡沫析液现象从二个方面进行了研究。一是宏观方面,即研究泡沫群的整体行为;二是微观方面,即对单条Plateau边界、节点、液膜等的研究。宏观方面,初步尝试了泡沫金属析液过程的二维数值计算,计算结果与实验结果进行了定性比较,研究了在不同工况参数下金属泡沫铝的孔隙率的变化规律。结果表明:泡沫最终的孔隙率受到泡沫初始孔隙率、泡沫层的高度、泡沫的直径、重力加速度和熔体粘度等因素的影响。其中泡沫的孔径对最终的孔隙率有较大的影响,而粘度对最终的孔隙率影响较小,只是对析液速率有较大的影响。微观方面,研究了单条Plateau边界及节点处的析液现象。对单条泡沫体Plateau边界内部的速度场的研究表明:泡沫体内部Plateau边界内的速度要小于同等条件下的容器壁面处Plateau边界内的速度,间接解释了宏观析液过程中析液速率与不同容器条件的关系。分析了Plateau边界中界面流变特性对析液过程的影响,进而将单条Plateau边界内液体流动的分析结果应用于泡沫体析液过程的宏观研究,建立了一个析液模型,计算结果与实验结果的比较显示:在泡沫层上部、中部吻合较好,在底部存在一定误差。建立了描述了吹气法制备泡沫铝过程中泡沫孔隙率随空间的变化的数学模型。计算结果表明,在不考虑气泡的合并的情况下,熔液粘度、表面张力、重力加速度、气体的流量对泡沫孔隙率,即Plateau边界的横截面积,有显著的影响。重力加速度和表面张力在析液过程中起着关键的作用。通过理论建模和数值计算预测了发泡层高度随时间,气体流速等的关系,模型能较好的解释泡沫层高度的变化。利用相场(Phase field)方法对界面演化过程进行了数值模拟,较为直观合理的解释了液膜破裂现象。通过析液方程和由于气体扩散造成的气泡长大的方程的耦合,建立了铝合金熔体泡沫中气泡尺寸分布发展的数学模型。通过数值计算,得出了不同工况下泡沫尺寸分布的发展过程,讨论了表面张力、亨利常数、扩散率等因素对泡沫尺寸分布发展的影响。计算结果表明:表面张力越大、亨利常数越大,泡沫尺寸演化过程越剧烈;含液率较小的泡沫体析液量很小,所以,泡沫尺寸分布变化主要由气体扩散引起。利用Surface Evolver软件及MacPherson等人的最新理论成果,对金属泡沫多面体气泡的演化过程中的泡沫尺寸和拓扑结构进行了数值计算研究,数值模拟结果与试验研究结果进行了定性的比较,一些特征非常相似。利用Potts模型对液态金属泡沫胞元结构进行了随机模拟,得到了二维泡沫的胞元尺寸、拓扑参数以及分布等定量特征信息。计算结果与实验结果完全吻合,表明Potts模型应用于熔体泡沫演化过程研究的可行性、可靠性。建立了一个简化的泡沫铝合金凝固过程数学模型,通过对模型的求解,获得不同时刻泡沫铝合金的温度场、凝固界面的位置以及形状。通过求解液体体积分数分布,间接得到孔隙率的分布。在凝固过程中,考虑了粘度、比热容等物性参数随温度的变化现象。整个凝固过程与液态泡沫析液现象有着密切的关系;重力和表面张力在析液过程中起着关键作用,在微重力条件下凝固的泡沫铝产品比较理想,即孔隙率分布比较均匀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 泡沫金属的研究现状
• 1.2.1 泡沫金属的结构参数
• 1.2.2 泡沫金属的性能及应用
• 1.2.3 关于泡沫金属生产工艺和性能的研究
• 1.3 发泡过程相关动力学理论研究现状
• 1.3.1 关于金属熔体——气泡两相流的研究
• 1.3.2 关于泡沫演化动力学的研究
• 1.3.3 既往研究中所存在的问题
• 1.4 本文研究内容
• 2 泡沫演化动力学基本理论概述
• 2.1 析液
• 2.2 泡沫群内气泡合并、胀大及拓扑变化
• 2.3 泡沫体结构
• 2.4 液膜破裂及Laplace定律
• 3 液态铝合金泡沫析液过程数值模拟
• 3.1 宏观析液
• 3.1.1 边界条件
• 3.1.2 计算结果和分析
• 3.2 微观析液
• 3.2.1 单条Plateau边界析液
• 3.2.2 泡沫体整体析液的数学模型
• 3.3 格子—Boltzmann方法（LBM）在析液问题中的应用
• 3.3.1 计算结果与分析
• 3.3.2 无量纲数M、W对析液的影响
• 3.3.3 M值对泡沫体析液的影响
• 3.3.4 气泡大小对泡沫体析液影响
• 3.4 节点在液态铝合金泡沫析液过程中的作用分析
• 3.4.1 边界条件及计算过程
• 3.4.2 计算结果及分析
• 3.5 与流动相耦合的泡沫析液过程
• 3.5.1 稳态模型的建立
• 3.5.2 边界条件和方程求解
• 3.5.3 计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 液态泡沫铝合金胞元结构的演化
• 4.1 泡沫尺寸分布的预测
• 4.1.1 定界条件及方程求解
• 4.1.2 计算结果与讨论
• 4.2 泡沫体胞元胀大和拓扑结构演化的数值研究
• 4.2.1 三维泡沫体结构演化的数学物理模型
• 4.2.2 同种类型胞元结构的泡沫演化
• 4.2.3 随机泡沫结构的泡沫演化
• 4.3 胞元结构预测-Potts模型的应用
• 4.3.1 Potts模型
• 4.3.2 编程实现
• 4.3.3 模拟结果与分析
• 4.4 泡沫体横截面上气液界面的演化
• 4.4.1 相场模型
• 4.4.2 计算过程
• 4.4.3 计算结果及分析
• 4.5 本章小结
• 5 金属泡沫体发泡高度预测及凝固过程数值模拟
• 5.1 发泡高度的预测模型
• 5.2 计算过程及结果分析
• 5.2.1 等径模型
• 5.2.2 非等径模型
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 金属泡沫凝固过程的数值模拟
• 5.3.1 物理模型
• 5.3.2 数学模型
• 5.3.3 边界条件和初始条件
• 5.3.4 计算过程
• 5.3.5 计算结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点摘要
• 6.3 发展前景展望
• 参考文献
• 附录A 本文所应用相关理论的简介
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介