方截面鼓泡床气液两相瞬态数值研究

在双流体模型中引入界面浓度输运方程,利用界面浓度和气泡平均Sauter直径模化各相间作用力。引入一附加 湍动能输运方程模化气泡诱导引起的液相湍流。利用该模型对方截面鼓泡床内气液两相流进行三维瞬态数值模拟。计算结 果表明该模型能较好得模拟方截面鼓泡床内气液两相流时均和瞬态流动特征。     

速度进口边界条件对鼓泡床流动影响研究

进口边界条件是影响鼓泡流化床流体动力行为的重要因素之一.本文基于欧拉一欧拉双流体气固两相流模型,对具有中心射流进口的鼓泡流化床进行了数值模拟研究.分别采用脉动和定常进口气体速度边界条件,对鼓泡流化床内气泡的形成、长大、分离,气泡的大小进行了分析和研究.模拟结果与Kuipers等的实验结果进行了比较,研究结果表明考虑进口速度的脉动能够更加合理地预测和分析床内流体动力行为.     

生物质洁净能源研究中的流化床动力学模型

分别对最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床及相应的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等加以综述 ,分析其优缺点 ,并在此基础上提出动力学模拟研究的新思路 .根据流化床内在的本质———流化态的不同 ,将流化床分为最小流化床、鼓泡流化床和腾涌流化床三种 .总结了前人针对各种流化床提出的全混模型、鼓泡模型、气泡汇集模型等思想 ,建议今后可以在以下几个方面进行深入研究 :⑴使得模型更有普适性 .⑵由于气泡有效直径尚不能在理论上求得 ,可以在理想气泡直径变化公式的基础上 ,加入非线性化学的计算 .⑶确定不同情况下的参数 ,使得工作更有延续性 ,也使得模型更加具有生命力 .⑷从高压的角度去进行模型的计算 ,并得到相应的试验数据支持 .     

双泡耦合声空化动力学过程模拟

为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟,本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发,在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型,对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟,并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性.结果显示:在超声波驱动下,球形气泡先缓慢扩张,扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭;耦合双气泡间存在相互作用力,使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长;空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强,相比单气泡声空化,耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大.本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.     

声场中水力空化泡的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体黏性、表面张力、可压缩性及湍流作用等情况,对文丘里管反应器中空化泡在声场作用下的动力学行为特性进行了数值研究.分析了超声波频率、声压及喉径比对空化泡运动特性以及空化泡崩溃时所形成泡温以及压力脉冲的影响.结果表明,超声将水力空化泡运动调制成稳态空化,有利于增强空化效果. 关键词： 超声波 水力空化 湍流 气泡动力学     

鼓泡法强化甲烷水合物成核及生长研究

水合物在相变蓄冷等领域具有广泛的应用前景,而降低水合物成核诱导期、提升水合物生长速率是影响水合物蓄冷技术发展的关键因素。开发了一套可视化水合物原位生成实验系统,通过反应釜底部气泡板持续产生气泡强化水合物成核生长,重点对鼓泡法下水合物诱导期和生长速率进行了研究。实验结果表明,气泡表面形成壳状水合物并不断堆积。鼓泡法显著地降低了甲烷水合物诱导期,在SDS体系下,鼓泡法对诱导期的缩减最高达到93.6%。同时,鼓泡法对后续水合物的生长也具有显著促进效果,使水合物生长速率提高15.1～37.5%。在纯水体系中,鼓泡法提高了甲烷气体的转化率,最高提高了14.57倍。同时实验呈现温度越低,气体转化率和水合物生长速率越大的规律。     

沸腾床内气泡特性的测定

一、前言 沸腾床内的流体动力特性影响到床内良好燃烧工况的组织。当床运行在鼓泡区内时,床内的流体动力特性几乎完全由气泡特性所决定,因此正确地测定气泡特性是非常必要的。 本文介绍了一种在常温和高温下均可使用的气泡压力探头和测试系统及气泡信号的     

输入功率恒定时进气和搅拌速度对鼓泡式光生物反应器内藻液流动特性的影响

本文使用商业计算流体力学软件FLUENT 14.0内欧拉-欧拉双流体模型对带有搅拌桨的鼓泡式光生物反应器内气液两相流动进行了模拟,研究了总输入功率(鼓泡功率和搅拌功率之和)一定时,不同的搅拌桨转速对流场特征、搅拌耗功所占总功率之比、藻液光梯度方向速度和湍流涡尺度等的影响。结果表明,与纯鼓泡式反应器相比,使用搅拌桨能够在很低的搅拌功耗情况下显著增强藻液在光梯度方向上的流动。但转速过大时产生的湍流涡会对微藻造成剪切力伤害,在实际培养中可根据藻种的形状大小选择最佳转速值。     

流体机械微气泡发生器的结构优化研究

本文基于CFD技术对文丘里式微气泡发生器进行了研究，分析了微气泡发生器内流动特性及微气泡在管内扩散段的发展过程，得出气泡在湍流剪切作用下逐渐破碎。同时，分析了喉部、渐扩角对气泡发生器发泡性能的影响规律，通过实验对模拟结果进行了验证。结果表明：随着喉部内径的增大，气泡粒径呈逐渐增大趋势，入口压力也逐渐增大；随着扩张角的增大，气泡粒径呈先减小后增大的趋势；改变喉部结构形式，当采用阶梯喉部结构时，气泡粒径更小。     

考虑水蒸气蒸发和冷凝的球状泡群中泡的动力学特性

为了深入探究空化泡群中气泡的动力学特性,建立了超声驱动下考虑水蒸气的蒸发和冷凝的泡群中泡的动力方程.基于该方程,研究了泡群中泡的位置、泡的数量、泡的初始半径对其动力学特性的影响,探究了超声作用下球状泡群中气泡半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数的变化规律.结果表明:泡群中泡的运动受到周围气泡的抑制作用;泡群中泡的初始半径大小对泡群中泡的半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数有显著影响;泡群中泡的位置距离泡群中心越远,泡的膨胀半径越大;随着泡群中泡的数目增加,泡的振幅减小;超声频率增加,泡群中泡的空化效应减弱;超声声压增加,泡群中泡的空化效应增加.研究结果为超声空化泡群的研究提供了理论参考.     

气泡在自由液面破碎后的射流断裂现象研究

在势流假设下, 考虑表面张力以及黏性修正, 建立自由液面在气泡破碎后全非线性运动的数值模型, 给出射流断裂和水滴撕裂的数值处理方法. 同时进行上浮气泡在自由液面破裂的实验研究, 数值解与实验值符合良好.为了研究自由液面在气泡破碎后的运动学机理和规律, 运用开发的程序研究了不同尺寸气泡破碎后的动态特性, 包括从气泡底部顶起的射流、射流断裂以及水滴分裂等复杂的物理现象, 总结了从射流上撕裂出的第一个水滴尺寸、撕裂时间以及最大射流速度的变化规律. 最后讨论了雷诺数与韦伯数对气泡破碎后自由液面运动的影响. 关键词： 气泡 自由液面 破碎 断裂     

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     

Surface tension effects on the behaviour of a rising bubble driven by buoyancy force

In the inviscid and incompressible fluid flow regime,surface tension effects on the behaviour of an initially spherical buoyancy-driven bubble rising in an infinite and initially stationary liquid are investigated numerically by a volume of fluid (VOF) method. The ratio of the gas density to the liquid density is 0.001, which is close to the case of an air bubble rising in water. It is found by numerical experiment that there exist four critical Weber numbers We₁,~We₂,~We₃ and We₄, which distinguish five different kinds of bubble behaviours. It is also found that when 1≤We2, the bubble will finally reach a steady shape, and in this case after it rises acceleratedly for a moment, it will rise with an almost constant speed, and the lower the Weber number is, the higher the speed is. When We >We₂, the bubble will not reach a steady shape, and in this case it will not rise with a constant speed. The mechanism of the above phenomena has been analysed theoretically and numerically.     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

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。     

A transient method for measuring the gas volume fraction in a mixed gas-liquid flow using acoustic resonance spectroscopy

In this paper, the feasibility of measuring the gas volume fraction in a mixed gas-liquid flow by using an acoustic resonant spectroscopy (ARS) method in a transient way is studied theoretically and experimentally. Firstly, the effects of sizes and locations of a single air bubble in a cylindrical cavity with two open ends on resonant frequencies are investigated numerically. Then, a transient measurement system for ARS is established, and the trends of the resonant frequencies (RFs) and resonant amplitudes (RAs) in the cylindrical cavity with gas flux inside are investigated experimentally. The measurement results by the proposed transient method are compared with those by steady-state ones and numerical ones. The numerical results show that the RFs of the cavity are highly sensitive to the volume of the single air bubble. A tiny bubble volume perturbation may cause a prominent RF shift even though the volume of the air bubble is smaller than 0.1% of that of the cavity. When the small air bubble moves, the RF shift will change and reach its maximum value as it is located at the middle of the cavity. As the gas volume fraction of the two-phase flow is low, both the RFs and RAs from the measurement results decrease dramatically with the increasing gas volume, and this decreasing trend gradually becomes even as the gas volume fraction increases further. These experimental results agree with the theoretical ones qualitatively. In addition, the transient method for ARS is more suitable for measuring the gas volume fraction with randomness and instantaneity than the steady-state one, because the latter could not reflect the random and instant characteristics of the mixed fluid due to the time consumption for frequency sweeping. This study will play a very important role in the quantitative measurement of the gas volume fraction of multiphase flows.     

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.     

Assessment of four inflow conditions on large-eddy simulation of a gently curved backward-facing step

In this study, we investigated the impact of four different inflow generation methods used in large-eddy simulation on the spatially developing boundary-layer before a recirculation bubble is formed over a gently curved backward-facing step at a Reynolds number 13,700 based on the step height. The configuration under study is very challenging because the separation is caused by a weak adverse pressure gradient, thus making a very sensitive and reliable assessment for evaluating the different inflow conditions used. The first method is a precursor-based simulation in which the velocity data on a certain plane is recorded in a library and then used as the inlet condition for the primary simulation. The second method used is the random noise generation method. The third method is based on generation of turbulent spots which incorporates the distribution of Reynolds stress tensor, and the last one is the so-called rescaling/recycling method proposed by Lund and colleagues. All these methods are compared together in terms of separation and reattachment locations of the recirculation bubble. The flow structures are represented by qualitative criteria, and also streamwise Reynolds stresses and production of turbulent kinetic energy of the flow are assessed and compared together at different stations before and after separation to illuminate how the developing structures within the boundary-layer can affect the locations of separation and reattachment. Distribution of pressure coefficient for different methods showed that there is a relation between production of turbulent kinetic energy and favourable pressure gradient of each method before the separation occurs. Finally, spectra of pressure fluctuation revealed how each inflow condition influences the shedding-instability frequencies.     

气泡在内置交错矩形肋管道中自由上升的FTM直接数值模拟

采用直接数值模拟的FTM（Front-Tracking Method）方法研究在重力作用下单气泡在竖直内置矩形肋管内的自由上升.选择矩形肋的肋高、肋距与方管宽度的比值作为管道几何特征值,用莫顿数作为流体特征参数,分析不同肋高、肋距及莫顿数情况下的气泡自由上升,研究不同几何特征及流体参数对气泡运动轨迹的影响.研究表明：在矩形肋片的影响下气泡上升时形状不对称,存在水平方向位移,表现为"蛇形"上升.这种现象与管道几何结构及气泡周围流体性质有关,肋高越大,现象越明显;气泡周围流体的粘度越小,水平方向位移越大.     

表面活性剂浓度对球形气泡界面和尾流的影响

发展了一种研究气泡界面污染程度的数值模型,并用其对流场中不同表面活性剂浓度下、上浮气泡的界面参量和周围流场进行了模拟研究。该模型假设吸附于气泡界面的表面活性剂分布在毗邻气液界面的薄吸附层中,且气泡界面上表面活性剂的吸附与解吸过程也发生于此;界面切应力为界面浓度的函数。研究发现:气泡界面的流动性会因表面活性剂的吸附而降低,该现象会增大气泡周围流域中切向速度在界面法向上的变化量,从而对界面性质和周围流场产生影响;由于对流的作用和吸附-解吸动态平衡的存在,气泡前部界面不完全干净,且受污染界面的流动性也不完全为零。