泡沫金屬壓降實(shí)驗(yàn)研究與CFD數(shù)值模擬分析

吳順利 劉浩 胡俊虎

摘要：本文通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬的方法對流體流過10，20和30PPI的泡沫銅時(shí)進(jìn)行壓降特性分析，實(shí)驗(yàn)測試了不同PPI、孔隙率和流速下的壓力損失，并通過商業(yè)軟件fluent對壓降進(jìn)行數(shù)值分析。表明：孔隙率在壓降損失的影響中占主要因素;孔隙度（PPI）越高的泡沫金屬，模擬與實(shí)驗(yàn)的契合度越高。

關(guān)鍵詞：泡沫銅;孔隙率;壓降梯度;數(shù)值模擬;

引言

泡沫金屬是一種由金屬基體和孔洞復(fù)合而成的新型材料，由于具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高孔隙率（40%～98%），高比表面積，因此具有很多優(yōu)良的特性[1] 。正如一些學(xué)者的研究中所指出的，有許多工業(yè)和工程應(yīng)用涉及金屬泡沫中的流體流動(dòng)。其中一些應(yīng)用利用金屬泡沫的高表面積來獲得寬催化表面、緊湊型熱交換器和散熱器[2] 。

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

本實(shí)驗(yàn)旨在研究工質(zhì)在流過泡沫銅時(shí)的壓力損失，實(shí)驗(yàn)選用10，20和30PPI孔隙率分別為95.12%，95.51%和95.46%的開孔系泡沫銅，當(dāng)量直徑為100㎜，沿流體流動(dòng)方向的厚度為10㎜;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖（2）所示。泡沫銅被內(nèi)徑為100㎜的PVC長管中，在泡沫銅兩側(cè)200㎜處放置兩個(gè)皮托管用于測量兩側(cè)壓力差，300㎜處放置兩個(gè)風(fēng)速儀用于測量前后風(fēng)速。通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制風(fēng)速，流體通過3000㎜的風(fēng)管進(jìn)行穩(wěn)流，最后進(jìn)入與風(fēng)管相連的1600㎜長的PVC長管中。

2.模擬

以泡沫銅實(shí)體外形作為參考模型，在fluent中按1：1建模，劃分網(wǎng)格數(shù)量為436542個(gè)，以空氣為流體工質(zhì)，壓力特性選用標(biāo)準(zhǔn)模式，采用RNG，κ-ε 湍流模型;選用CFD內(nèi)部的多孔介質(zhì)模型，兩個(gè)重要參數(shù)滲透率 K 和慣性系數(shù) F 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，如表（1）所示;速度入口和壓力出口（全壓為0Pa）;壁面設(shè)置為絕熱固定壁面;松弛因子均為10-5;壓力速度耦合采用simple 模型。

3.結(jié)果分析

不同流速下數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)隨PPI變化的對比分析

由以上數(shù)據(jù)分析可以看出隨著速度的增加流體的壓降也越來越大，由圖3可以看出，在相同的工況下，20PPI的壓降模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均大于10PPI和30PPI，這說明孔隙率對壓降的形成的影響占主要因素;由圖3，4，5可以看出隨著PPI的增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的接近程度越高，說明高孔隙度的泡沫金屬的模擬精度更高。

4.結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)測試，數(shù)值模擬的方法對空氣流經(jīng)泡沫金屬產(chǎn)生壓降進(jìn)行過了分析，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下得出以下的結(jié)論：

1.在相同的工況下，流體流過20PPI的泡沫銅產(chǎn)生的壓降均大于10PPI和30PPI，這表明孔隙率對壓降的產(chǎn)生有著重要的影響;

2.隨著孔隙度（PPI）的增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的接近程度越高，表明高孔隙度的泡沫金屬的模擬精度更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉波.泡沫金屬的研究現(xiàn)狀[J].廣州化工，2015（22）：29-32.

[2] Bhattacharya A，Calmidi V V，Mahajan R L.Thermophysical properties of high porosity metal foams[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45（5）：1017-1031.

基金項(xiàng)目：

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：2017MS（LH）0505）

作者簡介：

吳順利（1994），男，河南省，碩士生，主要研究多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱方向

（作者單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）