泡沫金属压降实验研究与CFD数值模拟分析

吴顺利 刘浩 胡俊虎

摘要：本文通过实验研究、数值模拟的方法对流体流过10，20和30PPI的泡沫铜时进行压降特性分析，实验测试了不同PPI、孔隙率和流速下的压力损失，并通过商业软件fluent对压降进行数值分析。表明：孔隙率在压降损失的影响中占主要因素;孔隙度（PPI）越高的泡沫金属，模拟与实验的契合度越高。

关键词：泡沫铜;孔隙率;压降梯度;数值模拟;

引言

泡沫金属是一种由金属基体和孔洞复合而成的新型材料，由于具有三维网状结构，高孔隙率（40%～98%），高比表面积，因此具有很多优良的特性[1] 。正如一些学者的研究中所指出的，有许多工业和工程应用涉及金属泡沫中的流体流动。其中一些应用利用金属泡沫的高表面积来获得宽催化表面、紧凑型热交换器和散热器[2] 。

1.实验平台的搭建

本实验旨在研究工质在流过泡沫铜时的压力损失，实验选用10，20和30PPI孔隙率分别为95.12%，95.51%和95.46%的开孔系泡沫铜，当量直径为100㎜，沿流体流动方向的厚度为10㎜;实验平台如图（2）所示。泡沫铜被内径为100㎜的PVC长管中，在泡沫铜两侧200㎜处放置两个皮托管用于测量两侧压力差，300㎜处放置两个风速仪用于测量前后风速。通过变频器调节电机转速进而控制风速，流体通过3000㎜的风管进行稳流，最后进入与风管相连的1600㎜长的PVC长管中。

2.模拟

以泡沫铜实体外形作为参考模型，在fluent中按1：1建模，划分网格数量为436542个，以空气为流体工质，压力特性选用标准模式，采用RNG，κ-ε 湍流模型;选用CFD内部的多孔介质模型，两个重要参数渗透率 K 和惯性系数 F 由实验数据拟合得到，如表（1）所示;速度入口和压力出口（全压为0Pa）;壁面设置为绝热固定壁面;松弛因子均为10-5;压力速度耦合采用simple 模型。

3.结果分析

不同流速下数值模拟和实验随PPI变化的对比分析

由以上数据分析可以看出随着速度的增加流体的压降也越来越大，由图3可以看出，在相同的工况下，20PPI的压降模拟和实验数据均大于10PPI和30PPI，这说明孔隙率对压降的形成的影响占主要因素;由图3，4，5可以看出随着PPI的增加实验数据与模拟数据的接近程度越高，说明高孔隙度的泡沫金属的模拟精度更高。

4.结论

本文通过实验测试，数值模拟的方法对空气流经泡沫金属产生压降进行过了分析，在现有实验条件下得出以下的结论：

1.在相同的工况下，流体流过20PPI的泡沫铜产生的压降均大于10PPI和30PPI，这表明孔隙率对压降的产生有着重要的影响;

2.随着孔隙度（PPI）的增加实验数据与模拟数据的接近程度越高，表明高孔隙度的泡沫金属的模拟精度更高。

参考文献：

[1] 叶波.泡沫金属的研究現状[J].广州化工，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.

基金项目：

内蒙古自然科学基金（批准号：2017MS（LH）0505）

作者简介：

吴顺利（1994），男，河南省，硕士生，主要研究多孔介质强化传热方向

（作者单位：内蒙古工业大学能源与动力工程学院）