多孔金属纤维微观建模及孔隙渗透特性研究(下).pdf

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1、试验研究现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2016年第7期多孔金属纤维微观建模及孔隙渗透特性研究(下)+李卓，王清辉，徐志佳(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)中图分类号：TB24文献标志码：A文章编号：167l—3133(2016)07—0019珈3DOI：10．16731／j．cnki．1671—3133．2016．07．0042数值模拟2．1流动特性及边界条件流体流动的规律通过Forchheimer定律描述为：_△肚孝+#pv2(8)式中：△P为流场流向上单位距离压降；弘为流体黏度；

2、K渗为流体渗透率；秽为流体表观流速；卢为惯性系数。式(8)中引入了惯性力的影响，表达的是压降与表观流速的非线性特征。纤维材料朝向分布由角0和角9决定，角0的正态分布决定了纤维在through-plane厚度方向上呈现各项异性分布特性，而角妒的随机均匀性表征了in．plane方向的各项同性特性(取沿石轴表征该方向特性)，故以这两个方向渗透特性研究为重点。流体为牛顿不可压缩流体且雷诺数很小，故假设流体在孔隙空间中是连续的，催化制氢环境氛围为氮气，仿真流态为不可压缩层流流动。控制纤维多孔材料流体动力学的质量和动量守恒方程表达为：v(m)=0(9)V(

3、p伽一下+P)=0(10)式中：P为密度；下为应力张量；P为压力场。特定轴向的流体数值仿真需要指明该流向的出入口边界条件。入口给定垂直于入口边界的常量流速，而出口处设为outflow(自由出流)边界条件。与流向平行的四周边界设置为对称边界条件，即平行于流向的边界面上流体的法向流速与流体内部剪切力大小均为零。实体与流体域的接触壁面(纤维外表面)设为无滑移边界条件。流体域网格与求解沿through-plane方向渗透特性的边界条件如图4所示。2．2求解方案及流体域网格划分ANSYs／FLuENT12．1．2软件应用于本次纤维多+国家自然科学基金项目

4、(51275177)图4边界条件设置及网格划分孔结构流动特性仿真分析。压力-速度耦合的SIMPLE算法对动量方程进行离散，给一定的迭代步数使仿真结果得以收敛。最后用面积加权平均的方法求出人口的压力，然后计算单位距离压降△P。仿真结果得出流速秽与压降△P的散点序列，利用Origin数学工具对散点进行二次曲线拟合，拟合一次项系数与式(8)对比求解流体渗透率K港。ANSYS／ICEMCFD12．1软件应用于本次的流体域网格划分。多孔结构流域具有不规则特性，故使用一种四面体及混合体非结构化划分方法对该结构进行划分网格。仿真结果的可靠性对网格划分的尺寸具

5、有明显的依赖性，以不同精细程度的网格对纤维多孔结构流域进行网格划分，并设定z轴方向的人口流速为0．02m／s。求解△P，对比不通过实验组别的数据，可以了解网格划分精细度对仿真结果影响。RVE边界长度为M，划分网格最大尺寸为s，网格划分比率r=s／M。多孑L金属纤维模型直径d=0．15mm，长度f_1mm，孔隙率占一0．71。如图5所示网格划分越精细越能捕捉压力变192016年第7期现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)化，当r低邗．028时，网格划分比率对仿真结果影响变得很小。选择优化的网格划分比率后，执行非

6、结构化网格划分操作，得到如图4所示RVE空间里流域网格模型，体积网格单元总数超过500000—89斗575O．0550．050网格划分比率r虱5网格尺寸对压降△P预测的影响入口流速vi。／{m’S。1)a)through—plane方向O．93结果和讨论3．1材料密度与流场特性分析流速与压力梯度特性曲线是最直观表达材料渗透特性的一种方式。等间距取8组不同入口流速并保持其他边界条件不变，对三种不同材料密度(RVE内纤维数目)样本进行流场数值仿真。图6a和图6b分别为through—plane和in-plane方向上仿真结果的离散数据点序列，经常数

7、项为零的二次项插值公式拟合得出曲线关系。拟合曲线的决定系数R2均大于0．99，表明了曲线对数据点的拟合程度很高，同时验证了Forchheimer公式描述流体流动特性的准确性。数值仿真结果表明，在等流速条件下低材料密度(高孔隙率)结构渗透所需的压力梯度更小，具有更好的渗透特性。由于材料有明显分层结构特性，in．plane面上的渗透性能比through-plane面的更好。将拟合曲线公式一次项OL—oO．OO．1幽6小同材料密度卜流速与压力梯度曲线系数与式(8)对比，可以求解样本渗透率数值。表1所示为不同材料密度的渗透率数值，其中K。、K。分别表示

8、through—plane、in—plane方向上的渗透率数值。表1不同材料密度模型的渗透率3．2分层结构对渗透特性的影响几何模型控制朝向的一个主要控