泡沫金属制备工艺中气──液两相流动及泡沫演化机理研究

通过理论分析、数值模拟及实验测试研究，对添加稀土元素的泡沫金属制备工艺中的热物理问题及泡沫演化机理进行系统和深入的研究。将工艺过程中金属熔体──气泡两相流过程与液态金属泡沫演化过程衔接起来，利用多尺度方法进行多维数值模拟研究及理论分析。建立气泡在金属熔体中的湍流气液两相流动过程以及气泡群的形成、演化、泡沫析液、生长、凝固等主要环节的完整的数学模型。同时进行真实泡沫铝合金（添加稀土元素）的发泡实验，对样品进行MRI测试分析。掌握熔体吹气发泡两相流和金属泡沫演化的微观机理，总结出宏观的特点和规律；并且通过创新性成果，形成金属熔体泡沫──气泡湍流两相流理论和泡沫金属成型过程中泡沫演化动力学的新知识。提出对泡沫金属的胞元拓扑结构及尺寸和分布均匀度进行优化控制的有效途径，为空气发泡法生产泡沫金属材料提供可靠的科学依据和预测模型。

泡沫金属以其优异的力学、声学和热学性能成为一种极具开发前途的工程材料。为解决金属在高温熔融状态下空气发泡过程中气泡形成、运动、析液、干泡沫的冷却、凝固和成型以及气泡尺寸大小分布等关键科学问题，本项目采用数值模拟结合理论分析和实验研究的方法对吹气法制备泡沫铝合金工艺过程进行了研究，提出采用多孔均匀进气的方法和单孔吹气进气的工艺差别，合理组织和改善气体供给和流场结构，达到了优化金属泡沫中气泡尺寸分布均匀合理的目的。通过对单条Plateau边界和节点的宏观、微观析液过程的研究和掌握，建立了宏观和微观析液过程的关联，同时分析了节点在析液过程中的耗散作用；建立了多孔射流过程中气液两相流的数学模型，分析了泡沫演化过程中泡沫含液率分布；对金属泡沫多面体气泡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比较，模型准确可靠；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，进而建立了从吹气发泡到材料成型整个工艺过程的数学模型，丰富了液态金属泡沫演化这一特殊两相体动力学。已培养硕士研究生2名，在读硕士研究生1名，发表学术论文6篇，SCI检索2篇，EI检索3篇，相关领域大会主题报告1次，达到了预期研究目标。