闭孔泡沫铝是一种新型功能材料。由于它具有独特的结构和性能,因此在工业中有着重要的应用和广阔的发展前景。泡沫铝是由气相和固相构成的合成物,它的孔隙率为70～90%,因此,在制各泡沫铝过程中,如何控制气泡的尺寸及其均匀度是该项工艺的核心问题。而单个气泡在液态铝熔体中的几何和运动特性是泡沫铝成型技术的一个非常重要的影响因素,它对胞孔的最终大小和形态起关键作用,从而影响泡沫铝的结构和性能。 本文首先对国内外气泡—液体两相流的研究历史和现状进行了比较系统全面的综述和分析。在此基础上,分析泡沫铝制取过程中单个气泡的产生,并估算气泡尺寸。计算结果表明,对于鼓泡形成的气泡,低流量时,气泡的半径随着孔径的增大、表面张力的增加、液体密度的减小而增大;当气速超过临界速度时,喷嘴中的气体将以气柱形式喷出。对于高速旋转搅拌系统,气泡半径随着转速的增加而减小,随着流量的增大而增大。 为了揭示高温金属熔体中气泡运动规律及其影响因素,本文应用界面追踪技术——流体体积函数法VOF对铝熔体中气泡几何及运动特性进行了数值模拟。分析预测了静止流场中单个气泡的变形、上升规律和静止液体中两个气泡的合并。模拟结果表明:在金属熔体中,气泡的变形随着奥托斯数Eo的减小而减小,其运动规律是呈螺旋式上升的,容器宽度越小、气泡越小,气泡的摆动幅度越大;在一定条件下,两个气泡可以合并成为一个大气泡。气泡变形和运动的数值模拟结果与相应实验结果符合良好,表明了计算结果和分析的可靠性。 最后,应用多参考系模型MRF和准三维模型(即分别在横向和纵向截面内进行二维流场计算)对气泡在三维环境的运动进行近似的模拟。气泡被高速旋转的叶片搅碎,在横向截面内,气泡会由于叶片中心低压产生的吸力被吸向中心;在纵向截面内,气泡会沿着流场的漩涡在浮力作用下向上做不规则摆动。 本论文圆满完成铝熔体中气泡的产生和运动特性分析的前期研究工作,这属于泡沫铝发泡特性系统研究的开拓性工作,为今后继续开展该领域研究打下了坚实基础。