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 Reference Frame)法和标准k-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 of Fluid)方法对气液之间的界面进行追踪，应用CSF(Continuum Surface tension)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。