梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离特性

利用实验手段对梯度金属泡沫池沸腾过程中气泡脱离行为特性进行了探究。实验工质为去离子水、浓度分别为400 mg·L^(-1)和800 mg·L^(-1)的正庚醇溶液。梯度金属泡沫材质为铜和镍,铜泡沫层和镍泡沫层厚度均为4 mm,孔密度分别为40 PPI和10 PPI。实验结果表明:添加正庚醇会使池沸腾气泡脱离直径变小,数目减少,但其浓度变化影响不明显;在热通量6.6×10~4 W·m^(-2)沸腾时,观察到气泡脱离金属泡沫骨架阻碍两种常见运动形式:气泡破裂和整体滑移;当热通量增加到1.0×10~5 W·m^(-2)时,相邻的两个气泡在梯度金属泡沫内合并成一个大气泡脱离金属泡沫。

基于Lagrangian分析法的梯度泡沫金属动态力学行为研究

采用Lagrangian分析法,对梯度泡沫金属在高速冲击下的变形机理和应力响应进行研究。基于3D-Voronoi技术,构建了5种不同密度梯度的泡沫金属细观有限元模型,并进行了高速冲击下的Taylor数值实验,得到不同密度梯度泡沫金属的质点速度分布规律。采用Lagrangian分析法并结合数值实验结果,研究了高速冲击下密度梯度参数对泡沫金属的局部应变分布、应力分布以及冲击波传播与衰减规律的影响。结果表明:负密度梯度泡沫金属比正密度梯度泡沫金属具有更强的抵抗变形能力,且密度梯度参数越小,变形程度越小;负密度梯度泡沫金属的局部压实应力呈线性减小,最大局部压实应力随着密度梯度参数的减小而增大,在冲击端附近可以承受更大的载荷;正密度梯度泡沫金属的局部压实应力分布呈平台状,其最大局部压实应力小于负密度梯度泡沫金属。

负梯度泡沫金属中的局部密实化现象

基于一维非线性的刚性-塑性硬化模型,研究了在恒速冲击作用下负梯度泡沫的冲击波控制方程和传播特性。采用LS-DYNA有限元软件对三维随机Voronoi技术生成的梯度泡沫金属模型进行数值模拟,验证了理论预测,并定义了冲击波模型下梯度泡沫材料的局部密实化应变与第二临界速度。通过对冲击速度、密度梯度、相对密度参数的影响研究发现:冲击波模型的理论解与有限元模型的数值解吻合较好,基于R-PH模型的冲击波理论能较好地预测负梯度泡沫金属的力学性能;局部密实化应变在不同冲击速度下存在3个增长阶段;密度梯度绝对值和相对密度越大,局部密实化应变越小,第二临界速度越大。最后讨论了负梯度泡沫中局部密实化现象对支撑端应力的影响。

基于3D Voronoi模型形状不规则度组合梯度泡沫金属的动态冲击力学性能研究

泡沫金属的力学性能与其细观结构参数密切相关。四个形状不规则度参数梯度组合的3D Voronoi结构模型被用于开展动态冲击数值仿真实验,探究不同冲击速度下形状不规则度梯度组合类型对泡沫金属的变形特性、荷载-位移和能量吸收特性的影响。结果表明,冲击速率仅在临界速度范围内时对形状不规则度梯度组合模型的力学性能有明显影响,沿着冲击方向形状不规则度从小到大梯度组合的模型具有最优的能量吸收能力。

冲击载荷下径向密度排布对泡沫金属力学性能影响的研究

参照层状密度梯度泡沫模型实现方法,利用3D-Voronoi技术设计了新型径向密度梯度泡沫模型,并用有限元软件,对它在不同冲击载荷下的力学行为进行数值模拟。研究冲击速度、密度梯度和平均相对密度对金属泡沫冲击端、支撑端应力和能量吸收能力的影响,发现:径向正梯度泡沫与层状正、负梯度泡沫相比,其两端的应力值均较小,可同时保护冲击端、支撑端物体;径向负梯度泡沫两端应力变化幅度较小,能够保证物体受力稳定;几种泡沫金属的能量吸收能力在不同冲击速度下发生交替变化。对于径向梯度泡沫,能量吸收能力对密度梯度大小不敏感,对梯度方向敏感,径向负梯度泡沫的能量吸收能力始终大于径向正梯度泡沫;平均相对密度越大,径向正、负梯度泡沫两端应力越大、吸能效果越好。

均匀及梯度泡沫金属复合PCM熔化特性模拟研究

基于六面通圆孔的均匀泡沫金属结构,构建了泡沫金属复合相变材料(PCM)三维模型,采用高性能计算显卡(GPU)加速的多松弛时间格子玻尔兹曼方法模拟了均匀及梯度泡沫金属复合PCM的瞬态熔化过程。结果表明:随着均匀泡沫金属孔隙率的降低,复合PCM的传热速率提高,潜热储能的能力减弱;对于固定平均孔隙率的不均匀泡沫金属,孔隙率沿导热方向上递增的模型具有最佳的强化传热效果,其完全熔化时间比填充均匀骨架模型和孔隙率在导热方向上递减的骨架模型分别缩短了4.2%和25%,当孔隙率梯度变化方向与导热方向一致时,在高温壁面附近填充低孔隙率泡沫金属能显著强化传热;当两者方向垂直时,熔化速率取决于平均孔隙率,与梯度分布几乎无关。