浮力气泡对水平壁面的回弹动力学特性

黏性液体中的气泡浮升运动有趣而又复杂,而气泡与固壁边界的相互作用更是广泛存在于实际工程中.基于轴对称数值计算,模拟了浮力驱动下气泡在黏性液体中上升并与顶部水平固壁面碰撞、回弹的过程.采用考虑表面张力的不可压、变密度Navier-Stokes方程来描述气液两相流流动,并通过基于分级八叉树的有限体积法进行数值求解.为准确捕捉气泡在回弹过程中局部而迅速的拓扑变化,采用了动态自适应网格技术耦合流体体积法(volume of fluid, VOF)来重构气泡的形状.从气泡对壁面的碰撞和回弹的基本现象入手,研究了伽利略数Ga和接触速度U_a对气泡回弹动力学特性的影响,分析了气泡碰撞过程中涡结构的变化.用回弹高度H、回弹周期T、长宽比A_r、浮升速度U、轴向位置z和回复系数Cr等参数来表征不同条件时气泡的运动和形状特性.研究结果表明,气泡的回弹运动特性对Ga十分敏感. Ga的增大可加剧气泡形变,促进气泡的回弹运动,增多回弹次数,增大回弹参数(T和H),提升回复系数.然而,接触速度并非决定气泡回弹动力学的控制参数, Ua的改变并不会改变回复系数.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离 ($S^{\ast}$)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数$Re \approx 580 \sim 1100$,无量纲距离$S^{\ast } <2 \sim3$时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当$S^{\ast } >2 \sim3$时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离($x/R$)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数${Re}$、韦伯数${We}$和奥特沃斯数${Eo}$等各无量纲参数的标度规律.      

壁面约束对裙带气泡动力学的影响

基于流体体积法(volume of fluid,VOF),数值模拟了装满黏性液体的圆柱形汽缸中的裙带气泡的浮升运动,研究了侧壁面约束对裙带气泡浮升动力学的影响.用雷诺数(Re)、韦伯数(We)、长宽比(χ)、裙带厚度(T/d)和裙带长度(L/d)等参数来表征不同约束比条件下(1.1≤Cr≤10)裙带气泡的运动和变形特性,分别在全局参考系和局部参考系下分析了壁面对气泡内外流场的影响.模拟结果显示,当Cr≥8时,裙带气泡的行为特性与在无界流域条件下的情况相当,可视作壁面无关的.当Cr8时,壁面对裙带气泡的浮升速度和形状演化有显著影响.随着壁面的靠近,裙带气泡受到的阻力增大,造成浮升速度下降.约束比降低使裙带厚度增厚而长度变短直至裙带消失,裙带气泡受挤压而被拉长并逐渐变为椭圆球帽形最后到子弹形.相反,约束比增大时,裙带气泡尾流效应增强,气泡边缘处流场产生明显的循环流动(涡环),促使裙带的形成.研究表明壁面会加剧裙带气泡产生破碎,印证了前人的推断.模拟结果与已有的经验公式吻合良好,分析了前人公式的适用性.     

Basset力对液体中易溶性气泡运动的影响

为从理论上分析Basset力对液体中易溶性气泡运动过程的影响, 综合考虑气泡上浮速度和传质速率间的耦合关系, 构建了适于描述易溶性气泡上浮过程的动态耦合模型. 利用该模型对氨气鼓泡吸收过程的计算分析表明, Basset力对易溶性气泡运动行为影响显著. 为此, 又提出了衡量Basset力对气泡运动全过程影响大小的评价指标(无量纲$\eta $数)及其算法. 基于上述模型和指标对水中气泡上浮过程的分析表明: 气体溶解度系数$H$对Basset力影响气泡运动的强度具有决定性作用, 当气泡内气体的$H<10^{-4}$时, 可以忽略Basset力的影响, 而当$H>10^{-4}$时, Basset力的影响迅速增强, 不应忽略; 且气泡半径越小的, Basset力的影响越显著; 而气泡所处深度与Basset力的影响强度关系不大.      

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.      

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油-气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜层的形成质量产生重要影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究,考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律.研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因.气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂.不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性.碰撞速度和液体黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响.碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象.液体黏度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.     

垂直壁面附近上升单气泡的弹跳动力学研究

采用高速摄影技术结合阴影法,对静止水中垂直壁面附近上升单气泡运动进行实验研究,对比气泡尺度及气泡喷嘴与壁面之间的初始无量纲距离(S~*)对气泡上升运动特性的影响,分析气泡与壁面碰撞前后,壁面效应与气泡动力学机制及能量变化规律.结果表明,对于雷诺数Re≈580～1100,无量纲距离S~*2～3时,气泡与壁面碰撞且气泡轨迹由无约束条件下的三维螺旋转变成二维之字形周期运动;当S~* 2～3时,壁面效应减弱,有壁面约束的气泡运动与无约束气泡运动特性趋于一致.气泡与壁面碰撞前后,壁面效应导致横向速度峰值下降为原峰值的70%,垂直速度下降50%;气泡与壁面碰撞前,通过气泡中心与壁面距离(x/R)和修正的斯托克斯数相关式可预测垂直速度的变化规律.上升气泡与壁面碰撞过程中,气泡表面变形能量单向传输给气泡横向动能,使得可变形气泡能够保持相对恒定的弹跳运动.提出了气泡在与壁面反复弹跳时的平均阻力系数的预测模型,能够很好地描述实验数据反映出的对雷诺数Re、韦伯数We和奥特沃斯数Eo等各无量纲参数的标度规律.     

不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移

利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.      

静止水中单个近壁大气泡运动特性的实验研究

气泡运动不稳定性直接关系到气液两相传递作用。本文利用高速摄影技术结合阴影法对静止水中大雷诺数(～O(10~3))气泡在竖直壁面附近的上升运动进行实验研究,通过改变气泡与壁面初始间距,考察气泡轨迹、变形、旋转、速度及加速度等运动特征的变化规律。结果发现气泡呈二维"之"字形周期性振荡上升;与运动轨迹相对应,气泡形变、旋转角度、速度及加速度均呈周期性变化。气泡与壁面初始间距小于1.03倍气泡等效直径时,气泡与壁面发生碰撞,气泡迎面碰壁后形状发生突变,加速度达到峰值,气泡旋转背向弹开;当气泡-壁面初始间距大于1.03倍气泡等效直径时,气泡与壁面不碰撞,壁面作用减弱,气泡形状变化缓慢且不发生滚动换向,呈摆动上升,气泡逐渐远离壁面。随着气泡-壁面初始间距的增大,气泡横向摆动幅度逐渐减小,纵向跨度增大,气泡形状变化幅度逐渐减小,气泡速度和加速度变化幅度略有降低。壁面作用导致高雷诺数气泡大变形,动能与变形能周期性转化,对强化气液传热传质具有重要作用。     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究

利用电场控制气泡形态及运动,强化气液相间传热传质是电流体动力学的重要研究内容之一. 然而目前多数研究集中在非电场下的气泡动力学上,对于电场下的气泡行为特性及电场的作用机制仍需开展深入研究. 本研究对电场作用下单个气泡在流体中上升过程的动力学行为进行了数值模拟研究. 在建立二维模型的基础上求解电场方程与Navier-Stokes方程,并采用水平集方法捕捉了上升气泡的位置及形状. 模拟结果的准确性与有效性通过与前人实验和数值结果进行对比得到了验证. 通过改变雷诺数、邦德数和电邦德数等不同参数研究了电场下液体黏度、表面张力和电场力对气泡运动变形的影响. 计算结果表明,电场对气泡的动态特性有显著影响. 非电场情况下液体黏度和表面张力较大时气泡基本维持球状,反之气泡发生变形并逐步达到稳定状态. 此外,电场作用使气泡在初始上升阶段发生剧烈形变,随着不断上升,气泡形变程度不断减小,且气泡的上升速度和长径比均出现振荡. 垂直电场使气泡的上升速度有较大的提高,且随着电邦德数的增大,难以达到相对稳定的状态.      

A model of bubbles rising in a fluidized bed

A model for a single fully developed bubble moving in an unbounded fluidized bed is presented. The model allows bubble growth or shrinkage during the rise inside the bed, as well as dependence of the rise velocity upon specified bed parameters. Limiting cases of nearly spherical bubbles and of sufficiently large bubbles whose form resembles that of a spherical segment are considered in more detail. The form of bubbles rising in either fluidized beds or one-phase liquids, and its dependence on the effective “surface tension” acting on the bubble boundary are discussed.     

单自由度冲击扰动下模拟磁头／磁盘系统接触回复特性的实验研究

采用自制的试验装置研究了单自由度冲击扰动下磁头 /磁盘系统的接触回复特性 ,分析了不同载荷下球形模拟磁头跳跃振动回复系数和接触时间与输入速度之间的关系 .结果表明 :当载荷较小时 ,回复系数随着输入速度的减小而增加 ,而当载荷较大时 ,回复系数随着输入速度的减小而减小 .在不同载荷条件下 ,接触时间均随输入速度的减小而缩短 ,但小载荷下接触时间缩短的幅度较大 .球形模拟磁头的回复特性和接触时间与载荷、输入速度及润滑膜特性有关 ,增大载荷和选择合适的润滑剂均可抑制跳跃振动     

Rising behavior of single bubble in infinite stagnant non-Newtonian liquids

This work is an experimental study of the rising behavior of single air bubbles in infinite stagnant non-Newtonian liquids. Aqueous solutions of carboxymethyl cellulose (CMC) are selected to study the effect of rheological properties. The high speed photography is employed to record the bubble motion in CMC solutions. The bubble size, rising trajectory, bubble shape and velocities are determined by digital image processing technique. As expected, the rheological properties have great influence on the rising behavior of single bubble. In the less concentrated CMC solutions, the bubble rising process can be divided into three stages according to spatial evolution of bubble shape. The deformation changes the trajectories of rising bubbles and bubble hydrodynamics. As the solution concentration increases, the transitional stage gradually disappears. In the most concentrated CMC solution, the first continuous shape flattening stage is directly followed by a rising process with bubble shape basically constant, the rectilinear path and constant rising velocity. Dimensional analysis is performed to formulate a general dimensionless correlation for the deformation and motion of bubbles in infinite liquids by considering the rheological properties.     

两空泡运动特性研究

本文应用边界方法研究了两个相邻空泡的运动特性,得到了空泡的演化规律,以及空泡溃灭时的射流速度与溃灭时间的变化趋势,对于两个空泡之间的距离和半径比的影响进行了讨论。计算结果表明：不同大小的空泡在一起时则小泡会先溃灭,且人泡的存在时间与两泡的半径比成正比;大泡对小泡来说其作用相当于－固壁面,小泡会形成－指向大泡的溃灭射流。相同大小的空泡在一起溃灭时,会同时形成指向中间的射 流,与单空泡在固壁面附近的溃     

Experimental Study on Bubble Movement Characteristics during Underwater Pyrotechnic Combustion

High-speed photography was used to study bubble movement characteristics during underwater pyrotechnic combustion. The results show that bubble behaviors include bubble formation at the nozzle, departure from the nozzle, bubble coalescence, and bubble breakup. Compared with cavitation bubbles and fluidization bubbles, the nozzle bubbles formed during underwater pyrotechnic combustion feature larger diameters, up to centimeters, and darker, and more irregular shapes. During large bubble coalescence, two bubbles approach each other, generate a channel for transfer of mass and heat, and finally coalesce. The bubbles contain high-temperature gases and solid residues generated during pyrotechnic combustion, which lead to non-uniform forces on the bubble surface and make the bubbles more prone to breakup. Because of the high-temperature solid grains, the surrounding liquid vaporizes to form bubbles.     

上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.      

Bubble behaviors of geldart B particle in a pseudo two-dimensional pressurized fluidized bed

Pressurized fluidized beds have been developed in quite a few industrial applications because of intensified heat and mass transfer and chemical reaction. The bubble behaviors under elevated pressure, strongly influencing the fluidization and reaction conversion of the whole system, are of great research significance. In this work, the bubble behaviors of Geldart B particle in a pseudo two-dimensional (2D) pressurized fluidized bed were experimentally studied based on digital image analysis technique. The effects of pressure and fluidization gas velocity on the general bubble behaviors (i.e., size, shape and spatial distribution) and the dynamic characteristics, such as the time-evolution of voidage distribution and local flow regimes, were comprehensively investigated. Results show that increasing pressure reduces the stability of bubbles and facilitates gas passing through the emulsion phase, resulting in the “smoother” fluidization state with smaller bubbles and declined bubble fraction and standard deviation. The equivalent bubble diameter and bubble aspect ratio increase with the increasing gas velocity while decrease as pressure rises. The elevated pressure reduces bubbles extension in the vertical direction, prohibits the “short pass” of fluidization gas in large oblong bubbles/slugs and benefits the gas–solid interaction. The flow regimes variation with gas velocity is affected by the elevated pressure, and demonstrates different features in different local positions of the bed.     

A novel numerical scheme for the investigation of surface tension effects on growth and collapse stages of cavitation bubbles

In the present study the effects of surface tension on the growth and collapse stages of cavitation bubbles are studied individually for both spherical and nonspherical bubbles. The Gilmore equation is used to simulate the spherical bubble dynamics by considering mass diffusion and heat transfer. For the collapse stage near a rigid boundary, the Navier–Stokes and energy equations are used to simulate the flow domain, and the VOF method is adopted to track the interface between the gas and the liquid phases. Simulations are divided into two cases. In the first case, the collapse stage alone is considered in both spherical and nonspherical situations with different conditions of bubble radius and surface tension. According to the results, surface tension has no significant effects on the flow pattern and collapse rate. In the second case, both the growth and collapse stages of bubbles with different initial radii and surface tensions are considered. In this case surface tension affects the growth stage considerably and, as a result, the jet velocity and collapse time decrease with increasing surface tension coefficient. This effect is more significant for bubbles with smaller radii.