单个气泡在液态金属搅拌流场中运动与变形的数值模拟

摘要

本文用“准三维”数值模拟方法研究吹气发泡法制备泡沫铝的过程中，单个气泡在铝熔液搅拌流场中的运动与变形。搅拌流场的模拟，采用多重参考系(Multiple ReferenceFrame)法和标准κ-ε模型进行三维模拟。气泡运动和变形的模拟，在根据三维流场的计算结果简化出的“准三维”模型中进行。应用VOF(Volume ofFluid)方法对气液之间的界面进行追踪，应用CSF(Continuum Surfacetension)模型考虑表面张力的影响。通过改变过程参数和物性参数，对多个气泡的运动和变形过程进行了计算。归纳总结出了有关气泡在搅拌流场中的运动、变形和分裂的若干规律，并且分析比较了各参数对流场和气泡运动变形的影响。 通过计算得出以下结论：气泡一般沿着液体流场中大涡之间的主流线运动；在速度迅速增大或压力迅速减小的地方，气泡容易被剪切破碎。在过程参数中，搅拌转速增大可加速气泡运动变形；气泡的初始速度对气泡运动变形影响不明显；增大气泡直径，一方面大气泡更容易变形，另一方面气泡受到的压力梯度力也增大，两方面共同影响气泡的运动与变形；气泡的初始位置决定了气泡将与流场中哪一部分液体发生相互作用，从而直接影响气泡的运动和变形。在物性参数中，当表面张力作用越强，惯性力越小，亦即Weber数越小时，气泡越不容易变形；流场中液体的粘度越大，流动越缓慢，气泡越不容易变形破碎。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题背景及意义

1.2泡沫金属的研究现状

1.3吹气法制取泡沫铝

1.4气泡-液体两相流的研究现状

1.5本文研究内容

2搅拌箱中气泡—熔体两相流的数值模拟方法

2.1 CFD基本原理

2.2模拟搅拌箱中流场的数值方法

2.3运动界面追踪方法

2.4搅拌箱中气泡-熔体两相流的数学模型

2.4.1桨叶区的处理方——MRF模型

2.4.2追踪气液界面的VOF模型

2.4.3计算表面张力的CSF模型

2.4.4简化三维流场的准三维模型

2.5计算域与方程的离散

2.5.1离散化概述

2.5.2有限体积法简介

2.5.3控制方程的离散

2.6压力速度耦合关系的处理

2.6.1 SIMPLE系列算法

2.6.2 PISO算法

2.7 FLUENT软件简介

3搅拌箱中气泡-熔体两相流的数值模拟

3.1铝熔体在搅拌箱中流动的数值模拟

3.1.1计算域

3.1.2边界条件

3.1.3网格划分

3.1.4湍流模型

3.2单个气泡在铝熔体中运动与变形的数值模拟

3.2.1控制方程

3.2.2边界条件

3.2.3网格划分

4计算结果及影响因素分析

4.1三维模型计算的单相流场

4.2准三维模型的初始流场

4.3气泡的运动轨迹

4.4气泡的变形与破碎

4.5过程参数对气泡运动和变形的影响

4.5.1转速对气泡运动和变形的影响

4.5.2气泡初始位置对气泡运动和变形的影响

4.5.3气泡初始速度对气泡运动和变形的影响

4.5.4气泡尺寸对气泡运动和变形的影响

4.6物性对气泡运动和变形的影响

4.6.1表面张力对气泡运动和变形的影响

4.6.2液体粘度对气泡运动和变形的影响

5结论与展望

5.1主要工作

5.2主要结论

5.3展望未来

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢