高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究中的重要性     

光电分解水过程气泡动态行为调控研究

光电催化分解水制氢技术是目前最有前景的清洁利用太阳能的技术之一,其气体产物主要以气泡的形式输运,气泡的演化规律和动态行为特性影响着系统的传热传质及化学反应速率。本文通过搭建光电催化分解水气泡动态行为可视化实验平台,研究了气泡在水平电极表面的演化规律,探讨了气泡在表面化学反应控制下的生长机理;进一步提出了一种通过外部斩光调控气泡动态行为的方法,发现节律性斩光可使气泡在水平电极表面发生弹跳,并得到了弹跳气泡的动力学特性;通过控制电子快门开关时间调节气泡弹跳特性,得到了气泡返回次数和生长时间在不同斩光模式下的变化规律.     

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     

微气泡形成过程及温度影响

运用平衡态分子动力学理论对含有液氩分子微正则系统的微气泡的形成过程进行模拟.采用五阶预估-校正有限差分法对每个分子的牛顿运动方程进行求解,该方法能够较好地满足能世守恒特性.通过统计各时刻系统的动能,势能以及总能量,得到了气泡生长过程中各相分子的分布形貌,并且分析了温度对气泡生长过程的影响及相界面不稳定的原因.模拟得到:气泡形成过程可分成四部分:团聚段、成核段、等温成长段以及等压成长段,以此粗略估计气泡的成核时间大约为0.2×10-11s.温度对于沸腾的团聚和成核时间没有影响.当过热度大于22 K时,随着过热度增大,两相区域数密度波动特别大.相界面不稳定是气泡的破碎引起的.     

声场中气泡群的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体的轻微可压缩性,研究了声场中气泡群的动力学特性,对单一型和混合型气泡群内微泡的初始半径、气泡的数目及声频率和声压对气泡动力学特性进行了数值研究．分析了各参数对气泡运动特性和气泡崩溃时所产生压力脉冲的影响．研究了单一型气泡群内气泡动力学的混沌特性,分析了气泡处于混沌特性下两次崩溃压力脉冲特征,结果表明：适合的参数有利于提高声空化处理效果．     

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     

单泡声致发光中气泡的动力学特性——振子模型

单泡声致发光是通过气泡的运动将低能量密度的声能转换成高能量密度的光能的能量转换过程。因此,把气泡看作以流体为负载的振子,利用带有能量耗散函数的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方程,可以获得描述在不可压缩、粘滞流体中气泡近球对称振动的运动方程。在适当近似下,利用解析解对气泡在膨胀、崩溃和回弹这３个过程中的动力学行为进行了讨论,得到单泡声致发光中气泡动力学特性较为简明的物理图像。     

两种气泡混合的声空化

将非线性声波方程和改进的Rayleigh-Plesset方程联立可以描述空化环境中的声场及相应的气泡动力学特征. 用时域有限差分方法模拟了圆柱形容器内两种气泡相互混合时的空化情况. 在烧杯内的稳态背景声场形成过程中, 瓶壁耗散吸收扮演了重要的角色. 在稳态背景声场的基础上, 分析了混合气泡与声场的相互作用、气泡之间的相互作用、混合情况下的频谱特性. 结果表明: 两种气泡平衡半径都不太大时, 气泡与声场的相互作用不强, 声场及气泡的行为也比较规律; 相反, 当其中一种气泡平衡半径相对比较大时, 声场与气泡具有较强的非线性相互作用, 声场及气泡的行为表现出复杂的特性.     

含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

环形小通道内过冷沸腾的气泡行为研究

本文对去离子水在竖直环形小通道内流动过冷沸腾时的气泡行为进行了可视化研究,观察到了气泡在流动沸腾过程中的生长,合并,脱离,滑移及气泡脱离壁面后的运动等现象,并结合气泡动力学理论模型及气泡滑移模型,对实验结果进行了对比分析,总结了本实验通道中气泡行为的特性。     

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.     

快速降压下Tween20 液滴真空闪蒸特性

为探究闪蒸喷雾冷却的微观机理, 设计并搭建了液滴悬挂式真空闪蒸实验装置, 利用可视化窗口探究Tween20 液滴闪蒸过程中的闪蒸特性及气泡生长机理. 液滴在快速降压过程中形态会经历气泡成核、气泡生长、伴随气泡生长、爆裂这四个阶段的变化, 并反复循环这一过程直至液滴稳定蒸发. 对于液滴温度的变化, 闪蒸室的终态压力起到了决定性的作用, 并且其终态温度随压力的升高明显上升. 同时通过液滴闪蒸过程形态图分析发现, 液滴在剧烈爆炸阶段其温度也发生明显下降; 在稳定蒸发阶段, 其温度也将开始稳定不变. 因此可知液滴的剧烈爆炸会带走其自身的大量热量. 而 Tween20 浓度对液滴温度的影响微乎其微, 但其会使液滴内气泡的初始成核时间发生明显滞后, 并抑制液滴内的气泡发生破裂.     

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     

制冷剂在毛细管内闪发流动的研究

分析了制冷剂在毛细管内的闪发过程,提出了制冷剂液体在毛细管内“综合成核”的机理,并结合气泡成长理论推导出气泡成长的计算公式,建立了制冷剂闪发流动的数学模型。进行了制冷剂闪发流动特性的实验研究,实验结果证实了理论分析是正确的。     

流动沸腾空穴核化机理的实验研究

针对水在垂直矩形通道内的流动沸腾,对空穴核化的机理进行了实验研究.不同表面物性的沸腾对比发现良好湿润性表面成核更为持续稳定.空穴成核过程中形成的低过热区域超出了气泡直径大小,影响因数在1.3～1.8范围内变化.微液膜蒸发模型分析液膜厚度在活化核心处最小,而热流密度刚好相反.流动条件加强了气泡脱离运动,致使主流对流冷却作用增强,影响范围超出了气泡直径区域.核心间的相互作用导致核心状态出现间断性,同时主流对流冷却也是重要原因.     

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。     

静止水滴真空闪蒸模型及实验研究

本文建立了描述真空制取二元冰过程中静止水滴的传热传质模型,研究冰晶形成过程的结晶成核与生长现象及其影响因素。设计并建立了一种可视化的真空制冰系统,清晰地展示了静态水滴成核结冰时液态蒸发、伴随气泡生长的蒸发、稳态蒸发结冰、伴随气泡生长的结冰、外部结冰内部气泡逸出最终爆裂的五种形态;利用所设计的二元冰真空制备装置进行冰晶的生成实验研究,分析讨论各种因素对二元冰真空制备的影响,并通过实验对照比较来证明模型的可靠性。     

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.     

基于图像方法模拟尾流气泡分布特性的研究

舰船尾流中气泡对尾流特性研究起着重要的作用,研究气泡数密度分布对于追踪舰船有着重要意义.用图像方法来研究气泡,具有直观、简便的优点.采用激光片光源限定采样区域,利用数学形态学的方法对气泡图像进行了处理.通过剪切、变灰度、调整照明和亮度、填充、膨胀、腐蚀等操作获得理想的图像并进行统计.用上述方法对记录气泡消散过程的图片进行处理,可以看出气泡的消散过程基本符合指数衰减的规律.     

超声对近壁微气泡溃灭过程的影响*

近壁微气泡溃灭特性的深入研究对靶向给药和基因治疗等技术具有较好的指导作用。该文基于数值模拟技术,采用有限体积法结合流体体积模型对超声作用下的近壁微气泡溃灭特性进行了研究,分析了超声对近壁微气泡溃灭动力学过程的影响。结果表明气泡溃灭最大射流速度与近壁距离无量纲参数在1.1~1.6范围内时成正比,与超声频率在10~60 Hz范围内时成正比,与气泡初始半径在50~100μm范围内时成反比;近壁气泡的二次溃灭最大射流速度大于一次溃灭,二次溃灭的作用更加明显。超声参数对近壁气泡溃灭过程存在较大影响,该研究为超声在医学上的应用提供了依据。