气泡引起的皇冠型水冢实验与数值研究

气泡在近自由液面运动过程中与自由液面发生强烈的耦合作用, 自由液面会出现极其复杂的物理现象, 形成的水冢类型繁多. 本文将针对皇冠型水冢, 基于势流理论, 建立气泡与自由液面耦合作用的数值模型, 并在气泡完成射流向下运动时, 忽略气泡对自由液面的影响, 继续模拟自由液面的运动过程. 同时利用高速摄影对近自由面的电火花气泡进行实验研究, 数值结果与实验符合良好, 相对误差在10%以内. 通过数值计算, 发现了围裙卷缩和主峰珠化等特殊的物理现象, 研究了气泡初始条件与韦伯数对皇冠型水冢动态特性的影响, 旨为皇冠型水冢的研究提供参考. 关键词： 气泡 自由液面 皇冠型水冢 韦伯数     

气泡与自由液面相互作用的实验研究

气泡在不同边界附近运动时,其运动特性与在自由场中相比会发生很大变化,特别是当气泡在近自由面附近运动时, 与自由面发生强烈的耦合作用而产生极其复杂的水面现象.为探究其规律,在前人研究的基础上, 采用电火花生成气泡,利用高速摄影系统对气泡与自由液面的相互作用进行了实验观察和研究. 通过对大量实验数据的分析和整理,总结了自由液面的存在对气泡最大半径、脉动周期、射流时间以及射流宽度的影响, 并初步拟合了放电电压与气泡最大半径的关系.对不同水冢现象的具体过程进行了分类和详细的描述, 得出了发生不同水冢现象的决定因素,同时统计得到相同初始条件下水柱最大高度随无量纲距离的变化规律, 为气泡与自由液面相互作用的研究提供了参考.     

气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理研究

为探究气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理,利用高速摄影系统对电火花引起的气泡脉动和水射流现象进行了实验研究.通过改变气泡初始深度,得到了不同无量纲距离条件下气泡与自由面相互作用形成水射流和气泡脉动的动态过程的图像.通过对不同工况下水射流的形成过程的图像进行分析,发现气泡二次脉动引起的水面扰动与一次脉动引起的水面扰动的叠加是产生不同水面现象的实质性机理,而气泡距离自由液面的无量纲距离对两次扰动的叠加效果起着决定性影响.研究结果可以为气泡与自由液面相互作用导致不同水面现象的认知提供新的视角和参考.     

基于边界元法的近平板圆孔气泡动力学行为研究

研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律. 关键词： 气泡 边界元 射流 圆孔     

微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D,h_max）的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

气泡与弹性膜的耦合效应数值模拟

本文在前人研究的基础上,计入浮力、表面张力、不同流体密度比等因素对弹性膜附近气泡运动的影响,结合不可压缩理想流体理论,建立气泡与弹性膜耦合动力学数值模型,采用边界元方法进行求解,计算值与Turangan等的实验结果符合良好.通过对弹性膜附近气泡运动的数值模拟,详细分析了弹性膜两侧为同种密度液体以及不同密度液体时气泡的运动,随后又分析气泡在弹性膜和浮力的共同作用下气泡的射流特性.旨在为相关气泡与弹性膜相互作用特性的研究提供参考. 关键词： 弹性膜 边界元法 气泡 浮力     

基于MPS法的圆截面液体射流数值模拟

传统网格方法在模拟液体射流流动中的断裂和破碎等液体大变形过程时存在困难,本文引入无网格移动粒子半隐式方法,对圆截面液体射流的复杂非定常流动过程进行数值模拟.基于进口速度边界条件建立了连续进口流动模型,对三类典型的射流流动,即壁面射流、竖直向上自由射流和自由射流碰撞等进行了建模和数值模拟,并对特征流动现象进行定性分析,验证了移动粒子半隐式法对上述射流流动数值计算的正确性,为相关研究提供了一种新的数值方法.     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

圆形破口附近气泡动态特性实验研究

以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考. 关键词： 气泡 实验 破口 射流     

Numerical investigation of the deformation mechanism of a bubble or a drop rising or falling in another fluid

A numerical method for simulating the motion and deformation of an axisymmetric bubble or drop rising or falling in another infinite and initially stationary fluid is developed based on the volume of fluid （VOF） method in the frame of two incompressible and immiscible viscous fluids under the action of gravity, taking into consideration of surface tension effects. A comparison of the numerical results by this method with those by other works indicates the validity of the method. In the frame of inviseid and incompressible fluids without taking into consideration of surface tension effects, the mechanisms of the generation of the liquid jet and the transition from spherical shape to toroidal shape during the bubble or drop deformation, the increase of the ring diameter of the toroidal bubble or drop and the decrease of its cross-section area during its motion, and the effects of the density ratio of the two fluids on the deformation of the bubble or drop are analysed both theoretically and numerically.     

Modeling Three-Dimensional Multiphase Flow Using a Level Contour Reconstruction Method for Front Tracking without Connectivity

Three-dimensional multiphase flow and flow with phase change are simulated using a simplified method of tracking and reconstructing the phase interface. The new level contour reconstruction technique presented here enables front tracking methods to naturally, automatically, and robustly model the merging and breakup of interfaces in three-dimensional flows. The method is designed so that the phase surface is treated as a collection of physically linked but not logically connected surface elements. Eliminating the need to bookkeep logical connections between neighboring surface elements greatly simplifies the Lagrangian tracking of interfaces, particularly for 3D flows exhibiting topology change. The motivation for this new method is the modeling of complex three-dimensional boiling flows where repeated merging and breakup are inherent features of the interface dynamics. Results of 3D film boiling simulations with multiple interacting bubbles are presented. The capabilities of the new interface reconstruction method are also tested in a variety of two-phase flows without phase change. Three-dimensional simulations of bubble merging and droplet collision, coalescence, and breakup demonstrate the new method's ability to easily handle topology change by film rupture or filamentary breakup. Validation tests are conducted for drop oscillation and bubble rise. The susceptibility of the numerical method to parasitic currents is also thoroughly assessed.     

瞬变流中气泡动力过程研究

微气泡的生成等基础问题制约着鼓泡脱气技术的发展。本文基于对文丘里鼓泡器内流场的研究,对不同雷诺数下的气泡动力特性进行研究,采用大涡模拟和流体体积法相结合的数值模拟方法,对气泡在不同瞬时动态变化流场下的动力特性进行研究,通过分析气泡在不同湍流下的表面积,气泡球度,以及气泡表面所处的湍流应力,计算气泡所受的破坏应力与聚合应力之比,得到气泡的临界韦伯数随气泡在瞬变湍流中的变化过程,分析气泡破碎的临界条件。     

流体黏性及表面张力对气泡运动特性的影响

基于气泡边界层理论,引入黏性修正,采用边界积分法,考虑黏性效应和表面张力在单气泡以及双气泡耦合作用过程中的影响.首先将建立的数值模型与Rayleigh-Plesset的解析解进行对比,发现二者符合良好,验证了数值模型的有效性;在此基础上,建立考虑流体弱黏性效应的双气泡耦合模型,研究流体黏性和表面张力作用下,气泡表面变形、射流速度、流场能量转换等物理量的变化规律;最后研究雷诺数和韦伯数对于气泡脉动特性的影响规律.结果表明,流体黏性会抑制气泡脉动和气泡射流发展,降低气泡半径和射流速度;表面张力不改变气泡脉动幅值,但缩短了脉动周期,提升气泡势能.     

数值模拟磁场作用下气泡在导电流体中运动

在自适应网格上,采用VOF方法捕捉界面,相容守恒格式计算电流及电磁力,发展了金属流体自由界面MHD数值方法。通过数值模拟磁场作用下不同Hartmann数的气泡在导电溶液中的运动和变形,分析磁场对气泡以及流场的影响,同时给出诱导电场和电流的分布。为进一步深入研究冶金及热核聚变相关的金属流体在强磁场作用下的自由界面流打下基础。     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型;并开发相应的计算程序,计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手,运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性,包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象;研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系,总结相关规律,近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中,讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围,并解释了Blake准则的失效的原因. 关键词： 气泡 自由面 环状 水冢     

近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究

基于边界积分法建立水下爆炸气泡与自由面耦合数值模型；并开发相应的计算程序，计算值与实验值符合较好.从气泡与自由面相互作用的基本现象入手，运用开发的程序系统地研究了近自由面水下爆炸气泡的动态特性，包括近自由面气泡的环状回弹及自由面的水冢现象；研究距离参数、浮力参数以及强度参数等特征参数与自由面Bjerknes效应之间的关系，总结相关规律，近自由面气泡的动态特性与这些特征参数有密切的关系.并在研究过程中，讨论了基于Kelvin-impulse理论的Blake准则的适用范围，并解释了Blake准则的失效的原因.     

剪切流动条件下液滴变形和断裂的数值模拟

本文采用扩散界面法研究了剪切流动条件下悬浮液滴变形和断裂的动力学机制。控制方程采用考虑表面张力影响的Navier-Stokes-Cahn-Hilliard方程描述。计算网格采用均匀矩形交错网格。采用基于压力增量的近似投影法计算 Navier-Stokes方程,采用完全近似多重网格法计算Cahn-Hilliard方程。稳态液滴变形规律及液滴拉伸断裂过程的计算结果与试验结果符合较好,表明本文模型能够很好的研究液滴变形及断裂机理。     

Similarity between the primary and secondary air-assisted liquid jet breakup mechanisms

We report an ultrafast synchrotron x-ray phase-contrast imaging study of the primary breakup mechanism of a coaxial air-assisted water jet. There exist great similarities between the primary (jet) and the secondary (drop) breakup, and in the primary breakup on different length scales. A transition from a ligament- to a membrane-mediated breakup is identified around an effective Weber number We' approximately 13. This observation reveals the critical role an effective Weber number plays in determining the atomization process and strongly supports the cascade breakup model.     

Interaction of microbubbles with high intensity pulsed ultrasound

High intensity pulsed ultrasound, interacting with microbubble contrast agents, is potentially useful for drug delivery, cancer treatment, and tissue ablation, among other applications. To establish the fundamental understanding on the interaction of a microbubble (in an infinite volume of water) with an ultrasound pressure field, a numerical study is performed using the boundary element method. The response of the bubble, in terms of its shape at different times, the maximum bubble radius obtained, the oscillation time, the jet velocity, and its translational movement, is studied. The effect of ultrasound intensity and initial bubble size is examined as well. One important outcome is the determination of the conditions under which a clear jet will be formed in a microbubble in its interaction with a specific sound wave. The high speed jet is crucial for the aforementioned intended applications.