泡沫金屬壓降實驗研究與CFD數值模擬分析

吳順利 劉浩 胡俊虎

摘要：本文通過實驗研究、數值模擬的方法對流體流過10，20和30PPI的泡沫銅時進行壓降特性分析，實驗測試了不同PPI、孔隙率和流速下的壓力損失，并通過商業軟件fluent對壓降進行數值分析。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，模擬與實驗的契合度越高。

關鍵詞：泡沫銅;孔隙率;壓降梯度;數值模擬;

引言

泡沫金屬是一種由金屬基體和孔洞復合而成的新型材料，由于具有三維網狀結構，高孔隙率（40%～98%），高比表面積，因此具有很多優良的特性[1] 。正如一些學者的研究中所指出的，有許多工業和工程應用涉及金屬泡沫中的流體流動。其中一些應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.實驗平臺的搭建

本實驗旨在研究工質在流過泡沫銅時的壓力損失，實驗選用10，20和30PPI孔隙率分別為95.12%，95.51%和95.46%的開孔系泡沫銅，當量直徑為100㎜，沿流體流動方向的厚度為10㎜;實驗平臺如圖（2）所示。泡沫銅被內徑為100㎜的PVC長管中，在泡沫銅兩側200㎜處放置兩個皮托管用于測量兩側壓力差，300㎜處放置兩個風速儀用于測量前后風速。通過變頻器調節電機轉速進而控制風速，流體通過3000㎜的風管進行穩流，最后進入與風管相連的1600㎜長的PVC長管中。

2.模擬

以泡沫銅實體外形作為參考模型，在fluent中按1：1建模，劃分網格數量為436542個，以空氣為流體工質，壓力特性選用標準模式，采用RNG，κ-ε 湍流模型;選用CFD內部的多孔介質模型，兩個重要參數滲透率 K 和慣性系數 F 由實驗數據擬合得到，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.結果分析

不同流速下數值模擬和實驗隨PPI變化的對比分析

由以上數據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的壓降模擬和實驗數據均大于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的增加實驗數據與模擬數據的接近程度越高，說明高孔隙度的泡沫金屬的模擬精度更高。

4.結論

本文通過實驗測試，數值模擬的方法對空氣流經泡沫金屬產生壓降進行過了分析，在現有實驗條件下得出以下的結論：

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

2.隨著孔隙度（PPI）的增加實驗數據與模擬數據的接近程度越高，表明高孔隙度的泡沫金屬的模擬精度更高。

參考文獻：

[1] 葉波.泡沫金屬的研究現狀[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.

基金項目：

內蒙古自然科學基金（批準號：2017MS（LH）0505）

作者簡介：

吳順利（1994），男，河南省，碩士生，主要研究多孔介質強化傳熱方向

（作者單位：內蒙古工業大學能源與動力工程學院）