倾斜壁面附近上升气泡的直接数值模拟

本文利用基于Front Tracking的3D直接数值模拟方法对高粘度流体中倾斜壁面附近上升的气泡进行了直接数值模拟,以研究气泡与壁面相互作用以及壁面附近气泡运动的机理.在不同的壁面倾斜角(10°,30°和50°)下针对Eo数分别等于0.7和10的两种典型工况计算了气泡的变形、运动轨迹和上升速度并与实验进行了对比.发现倾斜壁面使得气泡被压扁,在较大的倾斜角下气泡不对称变形程度更大、由此导致的流场不对称性也更大,表明壁面垂直方向的速度受到抑制是壁面引发升力的原因.对于不同的倾角,气泡最终都会沿着倾斜表面滑动,而且倾角越大,气泡中心越接近壁面.气泡的上升速度则随着倾角的增大而单调减小,同实验结果的对比吻合良好.     

盘管式蓄冷板融化过程的数值研究

本文采用数值模拟的方法研究了盘管式蓄冷板的融化过程,分析了管道的偏心距和肋片尺寸对融化过程的影响。研究表明,随着偏心距的增加,融化速率加快。肋高越大,蓄冷板的融化速率越大,而肋宽对融化过程的影响可忽略不计。添加肋片减小了蓄冷板的最大释冷量,而改变偏心距并未改变蓄冷板的最大释冷量,且不同情况下的释冷量与液相率大致成线性相关。     

静止幂律流体中气泡上升运动特性的数值研究

气泡在非牛顿流体中的动态行为在石油加工、食品加工、发酵以及废水处理等工业过程扮演着重要角色。为了深入了解气泡在非牛顿流体中的上升运动特性,文中采用VOF方法模拟研究单气泡在静止幂律(剪切稀化)流体中自由上升过程的运动特性,分别使用连续表面张力模型和Carreau模型来求解表面张力和计算非牛顿流体的流变特性。研究了不同流变指数(n)和Eo数下,气泡的形状、尾涡、终端速度和周围液相黏度的变化情况。结果表明:气泡的变形和尾涡会随着Eo数的增加、流变指数的减小而增大;随着流变指数的减小,气泡尾端会出现一个高黏度区,该区域会逐渐从气泡表面脱离;气泡的终端速度随着剪切稀化程度(n逐渐减小)的增加而增加,而随着Eo数的增加却减小。     

油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟

旋转工作的机械零部件和机械设备的润滑系统工作过程中普遍存在着油滴和油膜的碰撞行为,这一行为易引起气泡夹带现象.气泡将对油滴撞击油膜时的运动过程和附壁油膜层的形成质量造成不可忽视的影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对油滴撞击含气泡油膜的行为进行数值模拟研究,考察油膜层内气泡的变形运动过程,分析气泡大小和位置等因素对撞击过程中气泡变形特征参数的影响规律,并探讨气泡破裂的动力学机制.研究表明,随着气泡直径的增大,油滴撞击含气泡油膜后气泡会依次出现自由表面破裂、稳定变形以及油膜内部破裂等现象;直径d=20μm的气泡能较稳定地存在于油膜层内,同时该值也是气泡发生自由表面破裂和油膜内部破裂的临界值.此外,气泡所在位置同样对气泡变形历程有一定影响,气泡越接近油膜表面,其变形量越大;位于油膜底层的气泡会附着在壁面上.在自由表面破裂和油膜内部破裂过程中,气泡破裂是由气-液界面不稳定引起的,表面张力对这两种现象起重要作用;而黏性剪切力对油膜内部破裂现象也有着不可忽视的影响.     

横肋变截面U通道内换热特性的实验研究

本实验选取航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究对象,对不同肋间距的横肋变截面U型通道的换热特性进行了研究。实验模型中,矩形肋对称布置在上下两个表面,肋高为1.5 mm,肋宽为2 mm,肋与流体流向夹角为90°。实验结果表明,当节距比为10时,通道的平均换热效果最佳,节距比为16.6时,通道的平均换热效果次之,节距比为13.3和20时,通道的平均换热效果相当,且较差。     

低温输运管道的液氮预冷过程仿真分析

管道预冷是低温输运的重要工艺流程.为探究低温流体输运管路在预冷过程中的换热特性及壁温变化规律,建立一维均相流模型,对液氮预冷低温输运管道过程进行了仿真分析.通过不同雷诺数液氮对于管路预冷影响的对比,分析不同工况下管路沿程壁温和热流密度的变化特点,讨论管路内流型的变化趋势;分析讨论了液氮在预冷过程中流量、液氮过冷度、预冷管道内径和长度对预冷时间的影响,以及相关过程中管道的瞬态温度变化、预冷流体的流型特征以及换热特点.计算结果表明:流体雷诺数越小,管道前端更容易形成稳定气膜;流体雷诺数越大,更多的气泡层会出现在管路后端;管路预冷时间随内径增大而变长,随长度增大而先变短后变长.     

黏弹介质包裹的充液管道中低频轴对称波传播特性

研究埋地充液管道中低频轴对称波传播特性。将土壤考虑为黏弹介质,结合Kennard薄壳方程和Kelvin-Voigt线性黏弹性模型,引入土壤载荷矩阵,推导出土-管滑移情形下流体主导波和管壁压缩波的相速度表达式。通过数值模拟计算得到流体主导波和管壁压缩波的频散和衰减曲线并进行可靠性验证,分析两种波引起的管壁径向位移之比,讨论厚径比和品质因子对流体主导波传播的影响。结果表明,黏弹介质对流体主导波和管壁压缩波的相速度影响较小,但对衰减影响较大;流体主导波对管壁径向位移有较大的影响,是泄露噪声传播的主要载体;厚径比越大,流体主导波的相速度越大,衰减越小;而品质因子越大,流体主导波的频散和衰减都越小。研究结果可为埋地充液管道的泄漏检测提供一定的理论参考。      

二维可压缩流体Kelvin-Helmholtz不稳定性

利用高精度数值格式,研究了二维可压缩流体中的Kelvin-Helmholtz不稳定性,主要研究了可压缩性对Kelvin-Helmholtz稳定性增长率的影响.模拟定量的给出低Mach和高Mach数两种情况下,初始静压和对流Mach数以及Kelvin-Helmholtz不稳定性线性增长率的关系.模拟结果和自由剪切层以及混合层的实验结果以及理论分析一致.模拟表明,对流Mach数是描述流体可压缩性的合适参数,对流Mach数越小流体越不可压,Kelvin-Helmholtz不稳定性的线性增长率随对流Mach数的增加而减小. 关键词： Kelvin-Helmholtz不稳定性 可压缩流体 Mach数 超音速流体     

滞止流体中毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验

本文采用高速摄影仪对滞止流体中毛细管管口的气泡生长和脱离过程进行了可视化实验研究.实验结果表明:气泡生长脱离过程包括生长初期、快速生长期,缓慢生长末期等三个区域,气-液相界面的接触角随之产生相应的变化.随着毛细管管径的增大,气泡的脱离直径随之增大,生长脱离周期减小;气流量越大,气泡脱离直径越大,生长脱离周期越小;注气室容积变化对气泡的脱离直径影响很小,但随着注气室容积增大,气泡的生长脱离周期增大.     

气泡碰撞过程中形变及破碎现象分析

以水气两相流为研究对象, 采用大涡模拟和流体体积法, 结合破碎准则和第三代涡识别方法对双气泡碰撞过程进行数值模拟。采用单一变量法, 研究气泡直径比、相对偏心距及气泡间相对距离对气泡破碎程度的影响。双气泡碰撞过程中, 两气泡的直径越接近时, 碰撞过程中的气泡破碎程度越弱, 偏心距的变化对气泡破碎程度影响不大。而相对距离小于1时, 随着其增大, 气泡碰撞过程中的破碎程度更加明显。当气泡相对距离大于1时, 气泡破碎程度趋于平缓。研究表明: 第三代涡识别方法能够很好地捕捉两相流湍流流场中漩涡位置, 并能敏锐地反映出湍流的变化。     

气泡碰壁受力模型和反弹规律

对Mo=10-8~10-12及Re=5~750范围内的上升气泡与壁面垂直碰撞问题进行了理论求解，研究了不同控制参数下气泡碰壁反弹的规律.气泡上升和碰撞过程的运动方程考虑了浮力、液体阻力、附加质量力和与壁面碰撞时引起的薄膜诱导力.气泡碰壁过程气泡界面与壁面形成的液膜厚度变化规律由Stokes-Reynolds方程计算得到.膜内气泡变形引起的流体压强采用Young-Laplace方程求解.结果表明，基于SRYL方程的薄膜诱导力模型可以很好地预测不同Reynolds数下气泡0到多次的反弹轨迹，计算结果与实验结果吻合良好.气泡在碰壁反弹过程中会形成丰富的薄膜形状，如酒窝状变形，丘疹状变形和涟漪状变形.气泡界面变形会引起膜内压强的变化，压强的分布规律与气泡界面形状有着重要的关系.气泡在与壁面碰撞的过程中，薄膜诱导力会起主导作用，且随着Reynolds数的增加薄膜诱导力最大量级增大.气泡碰撞壁面时，反弹次数与Reynolds数有着直接的联系，不同Morton数下的气泡均在相同Reynolds数附近发生气泡反弹次数的变化.      

基于正交设计试验的电机散热的数值模拟研究

为了研究电机机壳外肋的各因素组合方式对系统散热性能的影响,采用综合的正交试验法,以机壳的最高温度为指标,通过正交试验极差分析法分析得知肋间距是最敏感的影响因素,其次是肋厚,再次是肋高.随着肋高的增大,最高温度先降低后升高;随着肋宽的增大,最高温度先降低后升高;随着肋间距的增加,最高温度逐渐升高,升高斜率越来越低.综合考...     

具有纵向外肋片的水平复合管外表面自然对流换热的数值计算

为了方便而有效地模拟具有纵向外肋片的水平复合管外表面大空间自然对流换热的数值计算时计算区域外边界条件,本文提出一种新的边界条件处理方式。数值实验表明,用该条件计算的具有恒壁温的水平圆柱外表面自然对流换热数值解与文献中的基准解相比,平均Nu数的误差在0.5％以下。本文在极坐标系下,采用固体区与流体区耦合计算原始变量法,模拟计算了具有纵向外肋片的水平复合管外表面在不同肋片高度和肋片数下的自然对流换热量。数值计算表明,管外布置6个对称的肋片时,在肋片相对高度h/r04.0时,对换热最为有利,对应的肋片管平均肋效率为87.92％;而在相同肋片高度下,布置8个对称的肋片时,换热量最大。     

Effects of fin pitch and tube diameter on the air-side performance of tube bank fin heat exchanger with the fins punched plane and curved rectangular vortex generators

Tube bank fin heat exchangers with vortex generators are widely used in the field of industrial applications. The effects of the fin pitch and the tube diameter on the air-side performance of the tube bank fin heat exchanger with plane rectangular vortex generators (PRVG) and curved rectangular vortex generators (CRVG) are experimentally studied in this paper. Performance comparison is carried out between the fins with PRVG and CRVG. The experimental results show that both PRVG and CRVG can effectively enhance heat transfer performance compared with the plain fin. Both the fin pitch and the tube diameter have obvious effect on f compared with the effect on Nu, especially for the fin with PRVG. The characteristics of Nu, f, and Nu/f^1/3 are different for the fins with PRVG and CRVG. The fin with CRVG has a better heat transfer performance than the fin with PRVG for all the cases studied in this paper.     

黏性液体中单个气泡上升的形状特性

采用基于Level Set方法的直接数值模拟技术对黏性液体中单个气泡的上升运动进行三维模拟.数值模拟采用拟单相流模型处理气泡内外的气液两相流动,应用Level Set方法捕捉运动气泡的变形.针对Eo数从O(0)～O(2),Mo数从O(-11)～O(2)的流动范围,重点研究了上升气泡的形状特性,并与经典的气泡形状图谱进行了比较.模拟结果表明,上升气泡的形状与无量纲参数(Eo、Mo和Re)密切相关.在高Re的扁椭球区域,数值发现了气泡形状的周期性振荡行为.     

静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析

借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究,重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节.研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点.阵列气泡源于游移气泡,而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积,从而减小所受的Bjerknes力,降低活性的方式实现的.游移气泡源于ALF(acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并,使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡.阵列气泡在Bjerknes力的作用下呈现出规则的表面波动,而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳,呈现极不规则的形貌,并对附近阵列气泡的表面波动产生影响.阵列气泡呈现出十分规则的排布,相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的,表现为相互排斥.     

Three-dimensional numerical simulation of crown spike due to coupling effect between bubbles and free surface

The motion of gas bubbles beneath a free surface will lead to a spike of fluid on the free surface. The distance of the bubbles to the free surface is the key factor to different phenomena. When the inception distance varies in some range, crown phenomenon would happen after the impact of weak buoyancy bubbles, so this kind of spike is defined as crown spike in the present paper. Based on potential flow theory, a three-dimensional numerical model is established to simulate the motion of the free-surface spike generated by one bubble or a horizontal line of two in-phase bubbles. After the downward jet formed near the end of the collapse phase, the simulation of the free surface is performed to study the crown spike without regard to the toroidal bubble＇s effect. Calculations about the interaction between one bubble and free surface agree well with the experimental results conducted with a high-speed camera, and relative error is within 15%. Crown spike in both single- and two-bubble cases are simulated numerically. Different features and laws of the motion of crown spike, depending on the bubble-boundary distances and the inter-bubble distances, have been investigated.     

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.     

II. Recirculation flow induced by a bubble stream rising in a viscous liquid

The recirculation flow induced by the rising motion of a bubble stream in a viscous fluid within an open-top rectangular enclosure is studied. The three-dimensional volume averaged conservation equations are solved by a control-volume method using a hybrid finite differencing scheme to describe the liquid phase hydrodynamics. The momentum exhange between the bubbles and the liquid phase is modeled with a source term equals to the volumetric buoyancy force acting on the gas in the bubble stream. The volumetric buoyancy force accounts for in line interactions between bubbles through the average gas volume fraction in the gas liquid column which depends on the size and the rising velocity of bubbles. The fluid flow within an open-top rectangular enclosure is further investigated by particle image velocimetry for a bubble stream rising in a water-glycerol solution. The measured fluid velocities in a vertical plane are compared with the predictions of the numerical model over a wide range of fluid viscosity (43 mPa s-800 mPa s) and gas flow rates. Finally, the recirculation flows resulting from the interaction of two neighbouring vertical bubble streams are studied. Received: 23 July 1997 / Revised: 19 December 1997 / Accepted: 11 May 1998