鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟

鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中,而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键.在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构,而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差.基于此,以气泡作为介尺度结构,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.结合双流体模型,对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究,分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律.研究表明,与传统的曳力模型相比,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带,建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系.通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现,考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果.通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现,A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.      

Numerical simulation of trajectory and deformation of bubble in tip vortex

According to the behaviors of a bubble in the ship wake flow,the numerical simulation is divided into two stages,quasi-spherical motion and non-spherical motion,based on whether the bubble is captured by the vortex or not.The one-way coupled particle tracking method(PTM) and the boundary element method(BEM) are adopted to simulate these two stages,respectively.Meanwhile,the initial condition of the second stage is taken as the output of the first one,and the entire simulation is connected and completed.Based on the numerical results and the published experimental data,the cavitation inception is studied,and the wake bubble is tracked.Besides,the split of the bubble captured by the vortex and the following sub-bubbles are simulated,including motion,deformation,and collapse.The results provide some insights into the control on wake bubbles and optimization of the wake flow.     

三维双气泡融合的格子Boltzmann模拟

针对基于自由能模型的格子Boltzmann方法,推导D3Q15格子模型对应的平衡态分布函数;采用该模型模拟双气泡的融合过程.结果表明,气泡的融合不仅与它们之间的初始间距有关,还与表面张力有关.表面张力越大,气泡融合的临界距离也越大.此外,研究气泡融合速度与初始间距、表面张力及粘性系数的关系.     

一种模拟气液两相流的格子波尔兹曼改进模型

基于格子波尔兹曼自由能模型,提出了一种模拟黏性流场中大密度比气液两相流的改进模型. 为了提高模型的精度,在原始模型的基础上计入了邻近点间粒子数密度的传递速率控制,考虑了碰撞项的差分松弛;为了避免两相间大密度比造成的数值不稳定问题,分别采用六点和九点差分格式求解?和?2. 同时,与传统格子波尔兹曼方法不同,实现了由单步碰撞操作到两步操作的转化. 通过对无重力场中气泡的模拟及与已有模型的计算结果的对比分析,表明该模型具有更高的数值精度. 成功模拟了重力作用下,单个上浮气泡的形变和尾涡形成过程,以及水平和竖直方向上两个气泡的相互作用过程,并验证了其质量守恒和体积不可压缩性.      

气泡弹性对同心筒水下发射影响研究

潜射导弹自同心简装置发射过程中在筒口处会形成燃气泡,由于气泡在水下的弹性效应,水气耦合作用导致气泡周期性地膨胀压缩,会对导弹弹道参数、受载特性产生一定影响.以CFD为技术手段,建立了导弹水下发射动态仿真模型,通过数值模拟获得了发射过程中多相流场、导弹弹道参数及受力的时间历程曲线,分析了气体弹性效应对参数变化的影响;并针对发射深度及其发射艇速对气泡弹性效应的影响进行了仿真分析,给出了其影响规律.仿真方法和结果对工程研究有一定参考价值.     

小当量水中爆炸气泡的脉动现象

为研究水中爆炸气泡的脉动现象,设计了用于小当量(10 g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱,在爆炸水箱装置中进行了多次0.125、1.000、3.370、8.000 g TNT当量的PETN球形炸药水中爆炸试验。采用高速摄影系统获得了气泡脉动图片;给出试验范围内气泡脉动过程中气泡直径、速度及加速度随时间变化的拟合曲线。对气泡脉动直径和周期数据进行了分析,这些数据基本符合爆炸相似律。     

水下爆炸气泡运动的理论研究

在适当深度的无黏、无旋的流体中对水下爆炸气泡运动特性进行理论研究。综合运用势流理论、能量方程以及拉格朗日方程建立气泡在不可压缩流体中的运动方程。并以此为基础,考虑重力、浮力以及阻力等多种因素对气泡运动特性的影响,通过引入新的边界积分方程,结合分析力学中完整非保守系统的Hamilton原理建立气泡在可压缩流体中的运动微分方程,并对微分方程进行求解。将方程的数值解与MSC.DYTRAN非线性有限元软件的计算结果以及经验公式进行对比,方程数值解与二者都具有较好的一致性。结果表明,基于非保守系统可压缩流体建立的气泡运动方程正确、可行,相关的理论研究和计算具有一定参考价值。     

水下爆炸气泡融合动态特性研究

在自然界中,气泡融合是一种重要的物理现象．基于势流理论,采用边界积分法,对水下爆炸气泡融合进行数值模拟研究．依据已有的数值研究成果和实验数据,建立气泡融合三维动力学数值模型,数值模拟结果与实验值吻合良好．应用该文开发的三维计算程序,分析距离、水深等特征参数对气泡融合动态特性的影响,得到了一些规律性的曲线和结论,旨在为水下爆炸气泡融合机理和动态特性研究提供理论参考．     

质子辐照不锈钢中氢气泡产生和演化研究

采用质子辐照模拟方法和正电子湮没寿命测量方法研究了质子辐照在国产改进型316L不锈钢中产生的氢气泡及其随辐照质子注量的演化过程。5×10^12,5×10^13,5×10^14／cm^2质子辐照的实验结果表明,辐照在不锈钢中产生氢气泡的尺度随辐照质子注量增加而增大,在质子注量为5×10^14／cm^2时氢气泡尺寸达到0．62nm,气泡的浓度随质子注量增加而减小。The bubble production and evolution in the home-made modified 316L stainless steel have been investigated by the proton irradiation simulation technique and the positron annihilation lifetime measurement. The experimental results of 5 × 10^12, 5 × 10^13 and 5 × 10^14/cm^2 proton irradiations show that the produced bubble size increases, while the bubble concentration decreases, with the increasing of the irradiation proton flueence. At the proton irradiation fluence of 5 × 10^14/cm^2 the bubble size reaches 0.62 nm.     

Propagation of acoustic wave in viscoelastic medium permeated with air bubbles

Based on the modification of the radial pulsation equation of an individual bubble, an effective medium method (EMM) is presented for studying propagation of linear and nonlinear longitudinal acoustic waves in viscoelastic medium permeated with air bubbles. A classical theory developed previously by Gaunaurd (Gaunaurd GC and \"{U}berall H, {\em J. Acoust. Soc. Am}., 1978; 63: 1699--1711) is employed to verify the EMM under linear approximation by comparing the dynamic (i.e. frequency-dependent) effective parameters, and an excellent agreement is obtained. The propagation of longitudinal waves is hereby studied in detail. The results illustrate that the nonlinear pulsation of bubbles serves as the source of second harmonic wave and the sound energy has the tendency to be transferred to second harmonic wave. Therefore the sound attenuation and acoustic nonlinearity of the viscoelastic matrix are remarkably enhanced due to the system's resonance induced by the existence of bubbles.