振动和搅拌对SiO2纳米颗粒聚团流化的影响对比研究

纳米颗粒聚团间的黏性力较强,通常需要一定的辅助方法才能实现稳定流化.本文对比了振动、搅拌、以及振动和搅拌组合方法对SiO2纳米颗粒聚团流化特性的影响.结果表明,振动能消除沟流和节涌,提高床层膨胀高度,但当振动强度超过15.7 m·s-2后,振动会对流化产生负面影响.搅拌能显著提高床层膨胀比,但当转速超过200 r/mi...     

水中上浮气泡动态特性研究

针对水中的上浮气泡,计入表面张力的作用,然后将气泡边界层内黏性效应分为法向和切向两部分,其中附加法向黏性应力通过Young-Laplace关系考虑;附加切向黏性力是基于黏性耗散能量等效原理,引入黏性修正压力代替.首先建立了轴对称和三维上浮气泡边界元模型,将数值结果与理论值和实验值进行对比分析,有良好的符合度,验证了数值模型的有效性;然后针对毫米量级上浮气泡的平衡速度与形态,讨论了气泡初始条件、表面张力和黏性对气泡上浮过程中动力学行为的影响;最后,提出了一种处理三维上浮气泡融合的数值方法,计算结果与实验现象符合良好,并且能够反映气泡融合后的复杂现象细节.     

自由上浮气泡运动特性的光滑粒子流体动力学模拟

基于虚功原理, 在Hu X Y等和Grenier N等的研究结果基础上推导了多相流光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)控制方程, 采用精度较高的黏性力和表面张力模型, 发展了一套适用于具有大密度比和大黏性比界面的多相流SPH方法. 首先, 通过施加人工位移修正, 适当背景压力和异相界面力, 使得计算全程粒子分布相对均匀, 改善了界面处的失稳现象, 防止了异相界面处粒子的非物理性穿透; 在此基础上, 利用方形流体团振荡模型对表面张力模型进行了验证, 数值结果与解析解甚为吻合; 然后采用上浮气泡经典数值算例对比研究了不同黏性力计算方法、不同核函数的适用性以及人工位移修正的效果; 最后, 对单个气泡的上浮、变形、撕裂以及垂向两个气泡的追赶、融合等现象进行了模拟, 初步揭示了气泡上浮过程中各种有趣物理现象的细节过程和动力学机理.     

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.     

相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

非理想流体中Rayleigh-Taylor和Richtmyer-Meshkov不稳定性气泡速度研究

在随气泡顶端运动的坐标系中, 通过将理想流体模型推广到非理想流体的情况, 研究了流体黏性和表面张力对Rayleigh-Taylor (RT)和Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性气泡速度的影响. 首先得到了RT和RM不稳定性气泡运动的控制方程 (自洽的微分方程组); 其次给出了二维平面坐标和三维柱坐标中气泡速度的数值解和渐近解, 并定量分析了流体黏性和表面张力对RT和RM气泡速度和振幅的影响. 结果表明: 从线性阶段到非线性阶段的全过程中, 非理想流体中的气泡速度和振幅小于理想流体中的气泡速度和振幅. 也就是说, 流体黏性和表面张力对RT和RM不稳定性的发展都具有致稳作用. 关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 Richtmyer-Meshkov不稳定性 气泡速度 非理想流体     

杆状颗粒流化特性的DEM-CFD数值模拟研究

本文采用离散元气固耦合数值模拟方法(DEM-CFD)对不同长径比的杆状颗粒在气相中的流化过程进行了数值模拟研究。本文在宏观上分析了杆状颗粒的流动结构和床体的压降特性,并从微观上探究了杆状颗粒取向角的变化规律。结果表明,在气泡边沿处,杆状颗粒的主轴和气泡轮廓趋向一致。同时,长径比越大,床体发生流化所需的最大压降就越小,但也越加难以流化。另外,随着气流速度的增加,不同长径比下颗粒平均取向角间的差异逐渐减小。     

黏性、表面张力和磁场对Rayleigh-Taylor不稳定性气泡演化影响的理论分析

采用理论分析的方法考察了磁场中非理想流体中Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性气泡的演化过程,在与磁场垂直的平面中,综合考虑流体黏性和表面张力的影响,推导了二维非理想磁流体RT不稳定性气泡运动的控制方程组,给出了不同情况下气泡速度的渐近解和数值解,分析了流体黏性、表面张力和磁场对气泡发展的影响,分析结果表明:流体黏性和表面张力能够降低气泡速度和振幅,即能够抑制RT不稳定性;而磁场对RT不稳定性的影响是由非线性部分引起的,并且磁场非线性部分的方向决定了磁场是促进还是抑制RT不稳定性的发展,     

非球形效应对强声场中次Bjerknes力的影响

考虑了非球形气泡在声场中的形状振动,推导了非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力方程,数值模拟了声场中非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并对非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力的影响因素进行了分析讨论.研究结果表明:当驱动声压振幅大于非球形气泡的Black阈值且又能使得非球形气泡稳定振动时,在第一个声驱动周期内,非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡的次Bjerknes力方向差异较大,在大小上是两个球形气泡次Bjerkens力的数倍,且有着更长的作用距离.非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力取决于非球形气泡的形状模态、两个气泡初始半径的比值、驱动声压振幅、气泡间距和两个气泡的相对位置.     

黏性液体中单个气泡上升的形状特性

采用基于Level Set方法的直接数值模拟技术对黏性液体中单个气泡的上升运动进行三维模拟.数值模拟采用拟单相流模型处理气泡内外的气液两相流动,应用Level Set方法捕捉运动气泡的变形.针对Eo数从O(0)～O(2),Mo数从O(-11)～O(2)的流动范围,重点研究了上升气泡的形状特性,并与经典的气泡形状图谱进行了比较.模拟结果表明,上升气泡的形状与无量纲参数(Eo、Mo和Re)密切相关.在高Re的扁椭球区域,数值发现了气泡形状的周期性振荡行为.     

竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构

本文采用流动显示方法对竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构进行了研究,发现当表观气速高于管道流态化的最小临界速度但低于节涌状态向湍动状态过渡的临界速度时,槽道中没有明显的气泡出现,而是形成一条穿过颗粒密相区的气流通道。当表观气速较低时,气流通道始终偏向槽道一侧。表现气速较高时,气流通道在槽道两侧摆动。在湍动状态下,槽道中的流态和管道中的流态相似。在快速流态化情况下,当颗粒循环量在一定范围时,槽道壁面附近会出现准静止的大尺度颗粒团。     

气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析

借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究,重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节.研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点.阵列气泡源于游移气泡,而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积,从而减小所受的Bjerknes力,降低活性的方式实现的.游移气泡源于ALF(acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并,使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡.阵列气泡在Bjerknes力的作用下呈现出规则的表面波动,而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳,呈现极不规则的形貌,并对附近阵列气泡的表面波动产生影响.阵列气泡呈现出十分规则的排布,相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的,表现为相互排斥.     

多孔介质流动沸腾微观模型实验研究

多孔通道内流动沸腾广泛应用于热管、高效换热器、航天热防护等领域,认识孔隙尺度相变典型行为及特点有助于理解多孔介质内沸腾传热机理,进而改进多孔介质内部流体相变模型。基于此,本文搭建了二维多孔介质内流动沸腾实验台,对微米级多孔通道内部流动沸腾现象及气泡行为进行研究。实验发现在毛细力、黏性力和惯性力的共同作用下,多孔介质内的流动沸腾形态显著区别于直通道内的沸腾,存在局部气泡堵塞、合并和液膜蒸干、再润湿等行为。该研究有助于增强对相变过程的理解,并为多孔结构优化设计提供指导。     

介尺度非均匀曳力模型的流动自适应性研究

曳力模型对流态化模拟的准确性起着决定性作用。现有的非均匀曳力模型能否普遍适用于各种流态化操作条件还缺乏深入研究。本文基于多尺度最小能量理论和对流态化过程中介尺度结构特性的深入认识,提出了新的非均匀曳力模型(QC-EMMS模型),并开展了模型的流动自适应性研究。通过引入非均匀因子Ψ,表征颗粒团特性参数(固含率)随操作条件的变化,引入基于整体气固滑移速度的状态雷诺数,表征随操作条件的变化而呈现不同非均匀度的流化状态,建立了宏观操作参数与局部曳力和颗粒团特性之间的关系,实现了模型的流动自适应性。经实际工况验证,该曳力模型具有较高的计算精度和良好的网格无关性。     

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。     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

超声场中气泡融合的影响因素分析

采用高速摄影机对不同声压和频率作用下接触气泡的融合时间进行了实验研究,运用实验和数值计算相结合的方法分析了次Bjerknes力和最大径向振动速度对气泡融合时间的影响,结果表明在不同的超声声压和频率作用下,气泡的融合时间会随着次Bjerknes力和最大径向振动速度的增大而增大,对两个因素进行对比分析得到次Bjerknes力是影响气泡融合的关键因素。      

空化场中大气泡对空化泡振动的抑制效应分析

为探究空化场中多气泡之间的相互作用,结合观察到的注入大气泡周围飞舞的小气泡的实验现象,构建了由两个大气泡和一个空化泡组成的三气泡系统,通过考虑气泡间相互作用的时间延迟效应以及大泡的非球形振动,得到修正的气泡动力学方程组,并数值分析了气泡的振动模态、平衡半径、声波压力与频率等参量对小空化气泡的振动行为与所受次级Bjerknes力的影响.结果表明,大气泡的非球形效应主要表现为一种近场效应,对空化泡的振动影响很小,几乎可以忽略不计.大气泡可抑制空化泡的振动,但当大气泡半径接近于共振半径时,空化泡振动幅值曲线出现共振峰,即存在耦合共振响应.大气泡半径越大,对空化泡抑制作用越强,当空化泡处在两个毫米级大气泡附近时抑制更加显著.声波压力与频率不仅直接影响气泡的振动,还影响空化泡与大气泡之间相互作用的强弱,表现为空化泡所受的次级Bjerknes力在特定的大气泡半径范围内变得对气泡尺寸变化较为敏感,即小的大气泡半径变化可能导致明显的力大小变化,且不同驱动频率下,空化泡所受次级Bjerknes力的敏感半径分布区间不同.空化泡受到的次级Bjerknes力在距离较小或者较大时均可能表现为斥力,与实验观察现象...     

次Bjerknes力作用下气泡的体积振动和散射声场

利用Lagrange方程得到了次Bjerknes力作用下气泡的体积振动方程,并探讨了次Bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响,研究了振动初相位差为π和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征.结果表明:次Bjerknes作用力下,相邻气泡半径、气泡间距、多方指数均能影响气泡的体积振动振幅,气泡对的均衡半径、气泡间距和驱动频率则对气泡振动初相位产生明显影响;相距很近、相位相差为π的两个气泡的散射声压与气泡体积振动振幅、气泡间距、驱动频率和振动初相位有关,随声场距离成反比减小,与声场位置有关,其平均散射声功率是单个孤立气泡的1/6(kd_(12))~2半径相同、相距很近、相位相同的两个6气泡的散射声压与气泡振动初相位、体积振动振幅、气泡间距、驱动频率有关,随声场距离成反比减小,其平均散射声功率是单个孤立气泡的4倍.     

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.