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。     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

利用格子Boltzmann方法模拟单个气泡在复杂流道内的运动特性

利用格子Boltzmann方法模拟了单个气泡在具有三个半圆形喉部的复杂流道内的上升过程.通过分析气泡运动过程中的形态、运动轨迹及运动速度的变化,研究复杂流道对气泡运动特性的影响.研究结果表明,在上升过程中,由于壁面的影响,气泡的形状发生严重的变形,运动轨迹也发生相应的偏转.通过实验结果的对比,验证了模拟结果的正确性.结果表明格子Boltzmann方法可以用于模拟具有复杂边界的两相流问题.     

静水中气泡上升运动及阻力系数研究

采用模型计算法与实验法结合的方式对静水中气泡上升运动行为进行研究。通过牛顿运动定律,基于不同物理模型,建立气泡在水中运动的微分方程;假设气泡在运动过程中的关键参数取值,推导小气泡在水中浮升过程中的气泡行为预测公式;针对不同流态下的气泡上升关键参数进行适应性分析和算例计算。通过设计气泡上升运动实验,对气泡上升运动公式进行适应性分析,修正关键参数的取值。据此提出一种小气泡上升运动规律的计算方法以及关键参数取值方式及参考区间。     

Marangoni效应下气泡上升过程的FTM模拟

采用界面跟踪法FTM(Front-Tracking Method),并结合CSF(continuum surface force)模型,研究了在垂直方向上温度分布不均匀的对称流场中由Marangoni效应引起的气泡上升运动问题。模拟了在不同的M a数和Pr数下单气泡及同轴双气泡的运动。研究结果表明,在不同的M a数下气泡的运动差异较大,M a数越大,气泡运动至稳态时的速度越大,且气泡运动的最大速度值与M a数呈正相关关系;增大Pr数所造成的粘度增大或热扩散率减小将削弱气泡的迁移运动;Marangoni对流中双气泡的局部运动证实了温度梯度和气泡运动速度紧密相关。     

粘性流中气泡的界面跟踪模拟及动力学分析

气泡在运动过程中的动力学特性与流场的压力分布密切相关。本文用界面跟踪法(Front-Tracking Method,FTM)对气泡界面及其形状进行数值计算,模拟了粘性流体中单气泡上升的界面形态,并与文献中的实验结果进行对比。结果表明,在同一数量级上的厄特沃什数OE、莫顿数OM形状变化规律基本一致,计算模型的正确性得到验证。对同轴两气泡上升过程进行计算,与VOF的模拟结果进行对比,FTM方法得出的气泡形态变化相同,界面更加清晰;进一步研究同轴两个气泡上升动力学特性,使用清晰的界面位置对应压力场进行分析,从压力的角度分析了其变形、速度变化。结果表明:上下两个气泡都有一个压力中心区域使得气泡运动速度大幅度变化,气泡因界面所处区域的压力梯度分布不均呈现出由球形-子弹状-椭圆形的形态变化;随着时间推移,两个相互作用的气泡间的相互作用力在减弱,逐渐融合。     

静水中气泡上升运动及阻力系数研究

采用模型计算法与实验法结合的方式对静水中气泡上升运动行为进行研究。通过牛顿运动定律，基于不同物理模型，建立气泡在水中运动的微分方程；假设气泡在运动过程中的关键参数取值，推导小气泡在水中浮升过程中的气泡行为预测公式；针对不同流态下的气泡上升关键参数进行适应性分析和算例计算。通过设计气泡上升运动实验，对气泡上升运动公式进行适应性分析，修正关键参数的取值。据此提出一种小气泡上升运动规律的计算方法以及关键参数取值方式及参考区间。     

基于Level Set方法的气-液-固三相流动模型与模拟

采用基于Level Set方法与离散颗粒模型相结合的方法,建立了一个用于描述气液固三相流动的新模型.模型耦合了颗粒与气泡、颗粒与液相以及气泡与液相之间的相互作用.应用该模型对液固悬浮液中的典型现象--气泡的单孔及多孔形成过程以及颗粒夹带现象进行了三维模拟,检验了其可行性.并进一步研究了颗粒的存在对气泡的形成与上升过程的影响以及气泡诱导的液相流动对颗粒行为的影响.研究结果表明,所提出的模型能够真实地预测三相流中气泡与颗粒分散相的特征,为研究多尺度的三相流动提供了一种新途径.     

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$C_{r}$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, $U_{a}$的改变并不会改变回复系数.      

均匀电场中气泡上升特性的实验研究

电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.      

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.     

水平分布三气泡运动特性研究

为研究孔径、间距对三气泡运动特性的影响规律,本文利用高速相机和粒子图像测速仪观察三喷嘴气泡的运动过程,分析间距与孔径对三气泡的轨迹、速度、偏移量的影响,并与单气泡和双气泡进行对比,获得间距与孔径对气泡的影响规律以及流场对气泡的运动影响。实验结果表明,气泡数目的增多会使气泡运动轨迹更加复杂;气泡间距和孔径的增大或减小,对气泡的速度、流场、偏移量和运动轨迹都会产生影响。     

单个上升气泡与异质液膜相互作用的数值模拟

为了探讨在流体区域内气泡上升然后与异质液膜接触的过程中,气泡速度、形状随时间的变化,以及区域内液膜的运动特性。本文采用FTM方法模拟研究了在2D×D的空间范围内单个气泡从静止开始上升到与异质液膜接触过程中的运动特性。研究结果表明:气泡上升到与液膜一定距离后,会使液膜中间凸起变薄,并将液膜挤向两侧,气泡的竖直速度先增大后减小;液膜厚度不同时,气泡上升初期相同时刻的纵横比?基本相同;气泡上升后期相同时刻的纵横比随着液膜厚度的增厚而增大;不同表面张力下,相同时刻气泡纵横比随着表面张力的减小而减小;表面张力越小,气泡顶部和底端的压力差会越小,上升速度越小。     

海洋大气间气泡的气体输运1)

研究球形小气泡在理想流体的波浪场中的气体扩散过程,把小雷诺数下均匀来流绕流球形气泡的气体交换结果与气泡运动方程耦合在一起进行求解.讨论了溶解于水中的气体浓度、波浪、气泡半径、气泡初始深度对单个气泡气体扩散量的影响.由于气泡云对气体的输运,溶解于水中的气体可出现过饱和状态.对10 m/s风速下气泡云的气体输运量进行了计算,得到水中O     

Basset力研究进展与应用分析

Basset力为两相流中颗粒与流体存在相对加速度时所产生的一种非恒定气动力 ,以往对其进行了大量的实验研究、理论分析和数值模拟。本文通过对Basset力研究文献的综述 ,分析并归纳了各种不同两相流动问题中该力的影响情况 ,得到的结论是 :对于气泡在液体内的流动问题 ,当气泡运动的脉动频率很大或很小时可以忽略Basset力对其运动的影响 ;对于固体或液体颗粒在气体中的运动问题可以忽略Basset力的影响 ;而其它两相流动问题则需要根据具体问题的特点来决定是否考虑Basset力的影响 ,其中需要考察 :流体与颗粒密度差别 ,颗粒尺寸 ,流动特征时间和颗粒运动弛豫时间 ,相对加速度 (或减速度 )等因素。本文还探讨了Basset力研究的发展方向。     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

串列双圆柱绕流问题的数值模拟

本文运用有限体积方法,对绕串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算。为研究两圆柱不同间距对圆柱相互作用和尾流特征的影响,选取间距比Ｌ／Ｄ（Ｌ为两圆柱中心间的距离,Ｄ为圆柱直径）在１．５～５．０之间每隔０．５共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算均在Ｒｅ＝２００条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题,流动特征在很大程度上取决于间距的大小。且间距存在一临界值,间距比从小于临界值变化到大于临界     

自由场水中爆炸气泡的物理特性

将水中爆炸气泡运动阶段周围流场假设为无粘、无旋、不可压缩的理想流体,运用边界元法模拟自由场中气泡的运动,在气泡运动模拟过程中引入数值光顺技术及弹性网格技术,避免因网格扭曲而导致的数值发散,并开发计算程序。计算值与实验值吻合良好,误差小于10%。从自由场水中爆炸气泡的基本现象入手,基于本文中开发的程序系统地研究了自由场中气泡的动力学特性。对流场中不同方位的压力进行分析,得出气泡中心的迁移方向及射流的攻击方向压力载荷比其他方向均大,说明气泡射流的攻击方向压力载荷最大,对水中结构造成严重毁伤,表明了气泡载荷的不对称性。计算了流场中不同位置的速度变化曲线,结果表明随着距气泡中心距离的增大,气泡运动引起的滞后流的速度迅速减小,且随着气泡的膨胀和坍塌,滞后流的方向逆转,总结了滞后流的衰减及变化规律。     

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.     

波浪中舰船远程尾流区气泡运动研究

为准确描述波浪中舰船远程尾流区气泡运动规律,分别建立了波浪中远程尾流场气泡质心运动和径向运动模型;并结合二维深水波模型,构建了波浪中尾流气泡运动耦合模型。采用变步长龙格库塔法进行数值求解,模拟得出波浪中尾流气泡的两个运动特征规律:(1)气泡在波浪中的上浮轨迹呈螺旋状,且气泡尺度越小,受波浪牵引作用越显著;(2)波浪的波长越短,波高越高,气泡在波浪传播方向的位移越大,但气泡的存留时间受波浪的影响很小。该模型考虑了真实海况中波浪对气泡运动的影响,可作为研究舰船尾流气泡运动特性及尾流场演化规律的理论基础。