本文是一篇关于随机液态和金属熔体泡沫细胞结构演化的计算研究论文，发表于2009年的《Applied Physics A》期刊，作者为Ke Li、Mao-Zhao Xie、Hua Wang和Hong Liu，分别来自大连理工大学能源与动力工程学院、内蒙古科技大学能源与环境工程学院以及河南理工大学机械与动力工程学院。该研究基于三维空间中的Voronoi镶嵌技术，提出了一种用于几何和拓扑建模闭孔金属泡沫演化的方法，并通过数值计算研究了液态铝泡沫的气泡尺寸分布及其拓扑和几何特性的演化。
金属泡沫因其优异的热学、声学和机械性能，成为材料科学与技术领域的研究热点。然而，金属泡沫的生产过程难以精确控制，导致其宏观材料特性存在较大变异性。液态金属泡沫是一种非平衡材料，其气泡尺寸分布和拓扑结构随时间变化，进而影响泡沫的流变性和稳定性。由于金属的不透明性和高温环境，实验测量气泡尺寸分布极为困难，因此数值模拟成为研究金属泡沫的有力工具。然而，现有研究多集中于二维泡沫或水性泡沫，对金属泡沫的关注较少。本文旨在通过数值模拟研究液态铝泡沫的气泡尺寸分布及其拓扑和几何特性的演化，基于Voronoi镶嵌技术和McPherson与Srolovitz提出的三维泡沫粗化理论，结合气体扩散和表面张力的影响，探索金属泡沫的演化规律。
研究基于McPherson和Srolovitz提出的微结构演化理论，结合三维泡沫中的拓扑转变规则（T1和T2过程），使用Surface Evolver软件进行数值计算。主要步骤如下： 1. 生成随机泡沫结构：利用Voronoi镶嵌技术生成具有不同尺寸和拓扑特性的随机泡沫结构。 2. 计算气泡的几何参数：计算每个气泡的欧拉“平均宽度”和Plateau边界的总长度，进而得到气泡体积和压力的变化。 3. 更新泡沫结构：通过Surface Evolver软件，利用三维泡沫中的拓扑转变规则生成新的泡沫结构。 4. 迭代计算：重复步骤2和3，逐步演化泡沫结构。
研究假设金属泡沫在演化过程中不发生气泡壁破裂，且温度保持恒定，金属熔体始终处于液态。气体扩散和表面张力是影响泡沫演化的主要因素，研究通过引入无量纲参数（如毛细管数Ca和邦德数Bo）评估这些力的影响。
本文提出了一种基于Voronoi镶嵌技术的金属泡沫几何和拓扑建模方法，通过数值计算研究了液态铝泡沫的气泡尺寸分布及其拓扑和几何特性的演化。研究结果表明： 1. 液态铝泡沫的气泡尺寸分布受气体扩散率和表面张力的显著影响，泡沫粗化过程可近似表示为 ( rr_{32} = -mt^2 + 1 )。 2. 泡沫的气泡尺寸分布在演化初期呈单峰分布，随后转变为双峰分布，表明气泡尺寸分布与泡沫结构的演化密切相关。 3. 每个气泡的平均面数为13.8，与文献报道的值一致，表明本文的数值模拟结果具有较高的可靠性。 4. 气泡体积的增长速率与其面数密切相关，面数较少的气泡倾向于收缩，而面数较多的气泡倾向于膨胀。
本文的研究成果不仅为金属泡沫的微观结构演化提供了新的理论框架，还为金属泡沫的生产工艺优化和性能改进提供了重要参考。通过控制气体扩散和表面张力，可以更好地调控金属泡沫的气泡尺寸分布和拓扑结构，从而提升其热学、声学和机械性能。此外，本文提出的数值模拟方法还可应用于其他多孔材料的微观结构研究，具有广泛的应用前景。