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| 編輯推薦： |
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全书共分为6章，内容包括绪论，泡沫演化动力学基本概念，泡沫金属的表征方法，泡沫金属的性能，液态金属泡沫析液及胞元结构演化、预测，泡沫金属的凝固成型数值仿真，泡沫金属相关理论探讨，并提供了国内外泡沫金属的制备、研究、应用最新进展及著者近年来对相关研究的计算程序。主要针对流体力学、热能和工程热物理、航天航空、化工冶金等领域的研究和技术人员，高校教师和研究生。具有足够的深度和广度，深入浅出，重点突出，便于该领域研究人员自学。
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| 內容簡介： |
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本书系统阐述了从液态金属发泡、收集、演化、凝固成型整个工艺过程中涉及的基础科学问题，从流体力学、传热传质学、界面科学等角度介绍了泡沫金属的基本概念、制备方法、用途范围以及制备过程优化控制等内容，以解决金属在高温熔融状态下空气发泡过程中气泡形成、运动、析液、干泡沫的冷却、凝固和成型以及气泡尺寸大小分布等关键科学问题。本书不仅介绍了数学模型和数值解法，而且讨论了模拟结果及在制备过程中的应用前景，同时附带了相关的计算程序。为方便读者，本书力求相对完整，使读者不必过多参阅文献就能基本了解和掌握其主要内容。
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| 目錄：
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1绪论1
1.1背景及意义1
1.2研究现状8
1.2.1泡沫金属的结构参数8
1.2.2泡沫金属的性能及应用10
1.2.3关于泡沫金属生产工艺和性能的研究12
1.3发泡过程相关动力学理论研究现状17
1.3.1关于金属熔体——气泡两相流的研究17
1.3.2关于泡沫演化动力学的研究19
1.3.3既往研究中所存在的问题22
1.4研究内容23
2泡沫演化动力学基本理论概述26
2.1析液26
2.2泡沫群内气泡合并、长大及拓扑变化27
2.3泡沫体结构30
2.4液膜破裂及Laplace定律34
3液态铝合金泡沫析液过程数值模拟36
3.1宏观析液36
3.1.1边界条件37
3.1.2计算结果和分析38
3.2微观析液42
3.2.1单条Plateau边界析液43
3.2.2泡沫体整体析液的数学模型48
3.3格子—Boltzmann方法LBM在析液问题中的应用53
3.3.1计算结果与分析55
3.3.2无量纲数M、W对析液的影响57
3.3.3M值对泡沫体析液的影响58
3.3.4气泡大小对泡沫体析液的影响59
3.4节点在液态铝合金泡沫析液过程中的作用分析60
3.4.1边界条件及计算过程63
3.4.2计算结果及分析64
3.5与流动相耦合的泡沫析液过程69
3.5.1稳态模型的建立70
3.5.2边界条件和方程求解71
3.5.3计算结果及分析72
3.6本章小结77
4液态泡沫铝合金胞元结构的演化79
4.1泡沫尺寸分布的预测79
4.1.1定界条件及方程求解83
4.1.2计算结果与讨论83
4.2泡沫体胞元长大和拓扑结构演化的数值研究90
4.2.1三维泡沫体结构演化的数学物理模型92
4.2.2同种类型胞元结构的泡沫演化95
4.2.3随机泡沫结构的泡沫演化103
4.3胞元结构预测——Potts模型的应用114
4.3.1Potts模型115
4.3.2编程实现117
4.3.3模拟结果与分析119
4.4泡沫体横截面上气液界面的演化125
4.4.2计算过程129
4.4.3计算结果及分析129
4.5本章小结131
5金属泡沫体发泡高度预测及凝固过程数值模拟133
5.1发泡高度的预测模型133
5.2计算过程及结果分析135
5.2.1等径模型135
5.2.2非等径模型136
5.2.3结果分析138
5.3金属泡沫凝固过程的数值模拟138
5.3.1物理模型138
5.3.2数学模型139
5.3.3边界条件和初始条件141
5.3.4计算过程141
5.3.5计算结果及讨论142
5.4本章小结149
6结束语与展望150
6.1结束语150
6.2展望154
参考文献156
附录A本书所应用相关理论的简介166
附录B相关计算程序172
致谢230
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| 內容試閱：
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1.1背景及意义
泡沫金属是一种内部含有大量孔隙的新型功能材料和结构材料，分为通孔泡沫金属porous metal和闭孔胞状泡沫金属cellular metal。对于金属材料，传统的观点认为：孔洞──所谓缩松、缩孔的存在是一种缺陷，这种孔洞是裂纹产生和发展的起源，严重影响材料的力学性能。但是，当孔洞数量大、分布均匀时，金属材料因为这些孔洞的存在而具有一些特殊的性能。泡沫金属的特性和用途与其孔隙率和孔尺寸密切相关。多种金属和合金可用于制备泡沫金属材料，如青铜、镍、钛、铝、不锈钢等，其中尤以铝及铝合金的泡沫金属为当前研究和应用的热点。闭孔泡沫铝以其独特的结构和优异的物理性能、机械性能、声学性能和热性能，以及可回收利用性等，成为一种极具开发前途的工程材料。作为结构材料，它具有轻质、高比强度和大刚度的特点，可作为轻质结构、包装、减振以及填充介质而广泛应用于航空航天和汽车等工业部门；作为功能材料，它具有吸声、隔声、隔热、阻燃、阻尼、减震和电磁屏蔽等多种特性，在发达国家已经大量地应用于高速公路的大型隔音墙、跨接桥面、大型建筑中用于减少内部噪音的墙面。此外，在电子和国防装备等领域也都有广泛的应用。
制备泡沫金属的工艺方法有多种，其中吹气发泡法是成本最低、可以实现连续生产的一种先进工艺，目前仅为少数发达国家所掌握。发泡气体一般采用空气。发泡过程中，首先，向发泡室中的铝熔液通入气体（金属熔液中加入一定量的Al2O3、MgO或SiC微粒使泡沫稳定）。利用机械搅拌或振动使熔体对空气射流进行扰动和剪切而形成适当尺寸的气泡；泡沫上浮到熔体表面后进行收集；然后通过成型模具连续牵引出发泡室，冷却后成为闭孔泡沫铝型材。在实际生产过程中，不断的向熔池中加入金属熔体，可以实现生产的连续性。该工艺生产的泡沫铝制品孔隙率可高达98%（体积比），密度可以控制在较大的范围（孔穴尺寸可在1～30mm范围内）。
孔穴或胞元的结构是影响泡沫铝材料性能的基本参数。因此，吹气发泡过程中泡沫的稳定性是连续制备泡沫铝材最重要的工艺要求，即在铝熔体中产生尺寸均匀、大小可控的气泡，并在随后的收集与成型的过程中不破碎。从而能够控制泡沫铝材的密度等级、泡沫结构、以及最终的产品性能。
吹气发泡法制备闭孔泡沫铝的过程大体包括三个阶段，即气泡在金属熔体中的形成、运动及散布过程；气泡在熔体表面的聚集和析液过程; 干泡沫的冷却、凝固和成型过程。其中，后两个过程又是互相密切耦合的。可见，金属在高温熔融状态下的空气发泡过程是极其复杂的，受众多几何、物理条件和工艺参数的影响，相互作用交织复杂。而气泡尺寸大小及其分布均匀性的控制则是当前空气发泡技术的一个关键和进一步发展的瓶颈。要解决这一问题，单纯通过传统的以小规模实验为主的经验方法，不仅工作量大，周期长，成本高，而且很难全面了解各种参数的影响，更无法掌握其机理与规律，因而是难以奏效的。对此，以基础理论分析为先导的数值模拟方法是一个强有力的工具。通过理论、计算与实验相结合的手段，才能系统深入地透析泡沫铝材制备过程，全面分析和确定各个影响因素的作用，为空气发泡法生产泡沫铝材提供准确而可靠的科学依据和理论预测模型，从而实现对其气泡尺寸和分布均匀性及各项性能进行优化控制。迄今国内外均未见有关吹气发泡过程中泡沫形成与尺寸控制方面的研究报道。
从科学的层面来看，吹气发泡法制备泡沫金属的工艺过程包含着一系列亟待探索的科学问题。首先，气泡在高温金属溶液搅拌流场中的运动是一种特殊的多相流动。与一般自然界和工程中的流动过程相比较，该过程具有高温（传热效应及物性变化不可忽略），多相（液态连续的金属＋离散的气泡＋陶瓷颗粒），强旋（流线大曲率、附加质量力等效应），高湍流度（适用的湍流模型不可或缺），大密度差（气液之间密度相差达数千倍），复杂的边界条件（空气喷射、搅拌头旋转和液面泡沫聚集效应），三维效应（非轴对称）等特点。传统的多相流理论不能圆满地解决这些问题，必须发展新的理论与方法。
其次，熔体泡沫形成过程包括泡沫的生成、长大、合并和破裂等现象，特别是析液现象（即在重力和毛细管力的作用下，泡沫群中金属熔液缓慢地向下流动，导致气泡间的液膜变薄甚至破裂的过程）伴随在整个过程中。它涉及泡沫的拓扑结构及其稳定性、液体或熔液在微元管（Plateau边界）和薄膜中的流动及流变现象、气体穿越液膜界面的扩散等，这一系列问题构成了一个新的学科领域，即泡沫演化动力学，它是多相流理论和界面科学交叉与结合的分支学科。泡沫是一种在自然界、国民经济各部门以及日常生活中广泛存在的现象。对泡沫演化的研究不仅有重要的科学意义，而且有十分广泛的应用前景，如在化工、塑料、采油、食品、浮法选矿、灭火等领域都涉及到泡沫产生、稳定或消除的理论与技术。目前，国际上对泡沫动力学的研究十分活跃，但在国内尚是一片空白。因此，本书的研究将促进我国在泡沫动力学这一新兴学科领域研究的发展。
最后，泡沫金属的冷却成型构成液体相变即凝固的问题，这不仅是影响泡沫金属质量的关键因素之一，而且，由于泡沫金属极高的孔隙率及其与析液过程相耦合而表现出与普通金属的凝固过程截然不同的特点，使其理论和数值模拟研究都面临着新的课题。
尽管目前国际上对金属熔体──气泡两相流和泡沫演化动力学都已进行了相当广泛的研究，但这些研究都不是以泡沫金属的制备为背景。其中，熔体──气泡两相流主要限于普通钢铁和有色金属的冶炼，而泡沫动力学则基本上是针对液体泡沫（或称水成泡沫）。无论国内外，有关金属熔体空气发泡过程中气泡的形成过程、气泡特性与胞元结构控制方面的基础研究迄今鲜有报道。
综上所述，对金属泡沫形成和演化的研究，涉及到多相流体力学、传热传质学、流变学、界面科学、材料学与冶金学等学科的内容，是多学科、多研究领域的交叉与综合，因而是一个全新的研究课题，具有重要的科学意义。其研究成果，将丰富这些学科的内容，有助于它们的交叉、融合与发展。同时，在上述国民经济的诸多部门，也具有十分广阔的应用前景。
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