基于二维Voronoi模型的多孔泡沫金属导热性能模拟研究

发布时间：2019-09-05 18:20

【摘要】：多孔金属材料作为新型功能材料具有密度低、强度高、导热性能优良等特性,应用前景广阔,受到越来越多的关注。多孔材料的有效导热系数与随机孔隙结构相关,仅用孔隙率不足以描述真实材料的孔隙结构。采用二维Voronoi模型,定义孔隙随机度S和孔隙率ε作为孔隙结构参数,通过调节核点位置偏移因子α和边宽系数β改变模型的随机度S和孔隙率ε,分析随机度S和孔隙率ε对相对有效导热系数k*的影响。结果表明,随机度和孔隙率同时影响多孔泡沫材料的有效导热系数,当随机度S一定时,随着孔隙率ε增大,材料的有效导热系数k*减小;当孔隙率ε一定时,随着随机度S的增大,有效导热系数k*减小。根据大样本的有限元数值模拟结果,拟合了有效导热系数由孔隙率和随机度组成的函数表达式。
【图文】：

建模流程,边宽

要进行边宽处理，才能作为随机泡沫模型进行数值模拟分析。根据几何关系，对于每个多边形，，在保持其相似性的前提下，存在最大边宽ｄｉｍａｘ，本实验用边宽系数β来调节边宽，进而建立二维Ｖｏｒｏｎｏｉ随机泡沫模型。第ｉ个Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形的边宽计算式为：Ｗｉ＝β·ｄｉｍａｘ（ｉ＝１，２…ｎ）（９）１．４建立二维Ｖｏｒｏｎｏｉ随机模型应用ＭＡＴＬＡＢ和ＡＮＳＹＳ－ＡＰＤＬ建立二维Ｖｏｒｏｎｏｉ随机泡沫模型，建模流程见图１。图１建模流程图Ｆｉｇ．１Ｍｏｄｅｌｉｎｇｆｌｏｗｃｈａｒｔ建模详细步骤为：（１）在ＭＡＴＬＡＢ中，以均质模型的核点坐标（ｘ０，ｙ０）为初始点，调节α取值，根据式（７）和式（８），在３０×３０区域内生成９００个核点的ｘ－ｙ坐标；（２）应用Ｖｏｒｏｎｏｉ函数根据核点分布，得到原始二维Ｖｏｒｏｎｏｉ图形数据；（３）对所选取的１０×１０Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形调节β取值，进行边宽处理，将处理后的新多边形顶点坐标导入ＡＮＳＹＳ－ＡＰＤＬ建模，并进行导热数值模拟。为了方便加载边界条件，在模型左右两端各加一个宽度ｌ＝５ａ的夹板，图２为网格化后的模型，网格精度为１。每个模型的孔隙率、随机度等结构参数经数据后处理得到。图２网格化后的模型Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｅｄｍｏｄｅｌ２模型导热模拟过程及结果分析·１３６·材料导报Ａ：综述篇２０１７年１１月（Ａ）第３１卷第１１期

模型图,网格化,模型,核点

中，以均质模型的核点坐标（ｘ０，ｙ０）为初始点，调节α取值，根据式（７）和式（８），在３０×３０区域内生成９００个核点的ｘ－ｙ坐标；（２）应用Ｖｏｒｏｎｏｉ函数根据核点分布，得到原始二维Ｖｏｒｏｎｏｉ图形数据；（３）对所选取的１０×１０Ｖｏｒｏｎｏｉ多边形调节β取值，进行边宽处理，将处理后的新多边形顶点坐标导入ＡＮＳＹＳ－ＡＰＤＬ建模，并进行导热数值模拟。为了方便加载边界条件，在模型左右两端各加一个宽度ｌ＝５ａ的夹板，图２为网格化后的模型，网格精度为１。每个模型的孔隙率、随机度等结构参数经数据后处理得到。图２网格化后的模型Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｅｄｍｏｄｅｌ２模型导热模拟过程及结果分析·１３６·材料导报Ａ：综述篇２０１７年１１月（Ａ）第３１卷第１１期
【作者单位】：重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室;中机中联工程有限公司;
【基金】：重庆市科技攻关计划资助项目(81826) “211工程”三期建设项目(S-09101) 中央高校基本科研业务费资助项目(CDJXS11140014)
【分类号】：TB383.4;TG113.223

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