往复搅拌流场中气体射流两相流数值研究

应用欧拉-欧拉双流体模型,与动网格技术相耦合数值分析往复搅拌流场中气体射流两相流的流动特性及气泡在往复流场内的分布规律。通过调整过程中吹气头的往复运动频率、气体射流速度来分析这些因素对于气泡分布和流场流动特性的影响。数值模拟结果表明,往复搅拌流场中气体射流两相流呈现与搅拌频率一致的周期性,气泡分布随吹气头位置的移动呈螺...     

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     

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

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.     

有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面相互作用研究

本文采用边界元方法, 研究了具有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面的相互耦合作用. 首先基于不可压缩势流理论, 建立了边界元气泡动力学模型, 并针对无限壁面附近的气泡和自由面作用问题, 采用镜像法模拟了倾斜壁面的作用. 然后, 基于本文所建立的数值模型, 分别计算了不同倾角的壁面对气泡和自由面水冢形态的影响, 发现倾斜角度会导致自由面的边界条件不连续, 从而对其运动产生明显的非线性影响. 最后, 分别分析了无浮力和有浮力情况下倾斜角度对其影响规律. 关键词： 水下爆炸 气泡动力学 倾斜壁面 自由面     

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.     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

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。     

液面冲击引起液滴飞溅问题的CIP方法数值模拟

利用自主研发的CIP-ZJU（Constrained Interpolation Profile Method in Zhejiang University）高精度数学模型研究强非线性自由表面流动问题.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器,通过多相流的方式实现固-液-气耦合同步求解,采用平衡格式的VOF（VOF/WLIC：Volume of Fluid/Weighted LineInterface Calculation）自由面捕捉方法改进了原模型,利用浸入边界方法处理运动物体.利用改进的CIP模型开展了不同类型的物体冲击液面引起的液滴飞溅现象的数值模拟,重点分析液滴飞溅过程中的自由液面变形、作用荷载和物体位置等.通过数值结果与实验结果的比较验证模型的可靠性.结果表明：平衡格式的VOF自由面捕捉方法能更精确地重构自由面,本文的数学模型可精确预测强非线性自由表面流动问题.     

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.     

方波驱动下双气泡的动力学行为*

探索方波驱动下双气泡的脉动规律,能够促进方波在声空化工程中的实际应用。本文通过数值求解双气泡耦合方程组,研究了方波驱动下双气泡的动力学行为,得到了多种条件下不同时刻两个气泡半径的数值,并以此计算出气泡间的次Bjerknes力。研究表明,增大驱动频率会使得两个气泡膨胀时能达到的最大半径和次Bjerknes力减小。当两个气泡的平衡半径不同时,其中一个气泡的剧烈收缩会使得另一个气泡产生一个振动方向相反的声脉冲。随着两个气泡平衡半径差距的增加,气泡收缩的时间间隔增大。此外,当驱动声压幅值逐渐增大时,气泡脉动规律也会发生很大的变化。     

低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应

本文在气泡群振动模型的基础上,考虑气泡间耦合振动的影响,得到了均匀柱状泡群内振动气泡的动力学方程,以此为基础分析了低频超声空化场中柱形气泡聚集区内气泡的非线性声响应特征.气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束,降低了气泡的自然频率,增强了气泡的非线性声响应.随着气泡数密度的增加,气泡的自然共振频率降低,受迫振动气泡受到的抑制增强.数值分析结果表明:1)驱动声波频率越低,气泡的初始半径越小,气泡数密度变化对气泡最大半径变化幅度的影响越大;2)气泡振动幅值响应存在不稳定区,不稳定区域分布与气泡初始半径、驱动声波压力幅值、驱动声波频率等因素有关.在低频超声波作用下,对初始半径处在1—10μm之间的空化气泡而言,气泡初始半径越小,气泡最大半径不稳定区分布范围越大,表明小气泡具有更强的非线性特征.因此,气泡初始半径越小,声环境变化对空化泡声响应稳定性影响越显著.     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

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     

气泡成核过程的格子Boltzmann方法模拟

利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线. 关键词： 格子Boltzmann方法 气泡成核过程 气液相变 接触角     

高粘度流体中上升气泡的直接数值模拟

本文将基于Front Tracking方法求解气液两相界面迁移特性的直接数值模拟方法扩展到中低Re数情形 (1．89≤Re≤55．6),针对无边界以及垂直壁面附近高粘度流体中单个气泡(1．2 mm≤D≤6 mm)的上升过程进行模拟,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,验证了该方法在中低Re数范围内的有效性。壁面附近流场的不对称引发壁面对气泡的升力是导致气泡逐渐偏离垂直壁面的原因,计算得到的壁面作用力系数同实验结果的对比也确定了本文参数范围内计算壁面对气泡作用力的模型。     

基于有限元-抛物方程混合模型的气泡幕降噪效果研究

针对以往气泡幕降噪效果研究中气泡幕模型设置过于理想,无法真实反映气泡幕降噪效果空间不均匀性的问题,该文采用有限元-抛物方程混合模型对包含气泡幕的水下打桩噪声场进行了仿真模拟,分析了应用气泡幕时打桩噪声的传播特性,并重点研究了气泡幕的厚度、占空比以及布放位置等不同参数下气泡幕的降噪效果。结果表明,增加气泡幕的厚度可有限提高气泡幕的降噪量,气泡幕的占空比应保持在0.5%～1%,气泡半径较大的气泡幕在较低频率有更好的降噪效果,此外应合理调整气泡幕的布放位置以应对打桩噪声的多途传播特性。该文方法和分析研究结果对打桩施工时气泡幕的参数设置具有指导意义和一定应用参考价值。     

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.     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

声波激励下管路轴向分布双气泡动力学特性分析

针对基于声学理论的管道气泡检测技术面临的声波作用下的气泡相互作用机理问题,本文基于自由气泡Rayleigh-Plesset模型,通过引入次Bjerknes辐射力,构建能够考虑管道轴向气泡分布的可压缩性双气泡动力学模型.利用四阶龙格库塔方法开展数值计算,对比分析了不同激励声波频率与幅度作用下自由气泡与双气泡模型引起的气泡动力学特征的区别.同时对比了液体可压缩与不可压缩假设引起的气泡动力幅频响应的区别,表明可压缩假设下的次Bjerknes辐射力引起气泡发生受迫振动,不改变气泡的线性共振特征;而不可压缩假设引起气泡间发生强耦合,从而改变气泡系统的线性共振特征.气泡距离直接影响次Bjerknes辐射力大小,导致气泡动力学趋向于非线性振动,与线性振动的频谱特征差别明显.气泡轴向位置的变化引起外界激励声波的变化,从而改变气泡的初始振动特征.初始特征的差异与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,影响气泡动力学特征,甚至发生非线性振动.研究表明,小气泡在共振的情况下,与次Bjerknes辐射力发生耦合作用,使得双气泡系统更容易趋向于非线性特征;而大气泡则能够较好地保持线性共振状态.