凝固前沿和气泡相互作用的大密度比格子玻尔兹曼方法模拟

建立了二维双组分两相流的大密度比格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)模型. 该模型基于改进的Shan-Chen伪势多相流LBM模型, 结合采用不同时间步长的方法, 实现密度比达800以上的气液两相流模拟. 为了对模型进行验证, 模拟了在不同气液相互作用系数和密度比条件下气泡内外压力差与其半径之间的关系, 其结果满足Laplace定律. 将所建立的大密度比LBM与介观尺度的元胞自动机(cellular automaton, CA)和有限差分法(FDM)相耦合, 用LBM模拟气液两相流, 用CA方法模拟固相生长, 用有限差分法模拟温度场, 采用LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固过程中凝固前沿的气泡与液-固界面之间的相互作用进行模拟研究. 结果表明, 绝热气泡的存在影响了温度场分布, 使得凝固前沿接近气泡时, 液-固界面凸起, 在不同的固相生长速度条件下, 出现凝固前沿淹没气泡或气泡脱离凝固前沿的不同情况, 模拟结果与实验结果符合良好. 关键词： 格子玻尔兹曼方法 元胞自动机 凝固 气泡     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

气液两相流体绕方柱流动的数值模拟

本文详细给出了气液两相流动双流体模型下的各控制方程组和相间作用力,通过将气泡引起的紊流与剪切引起的紊流线性叠加给出了气液两相流动的紊流模型。通过给出的边界条件,采用ＩＴＡ－ＩＰＳＡ算法对垂直上升的气液两相流横向冲刷方柱引起漩涡证替脱落的过程进行了数值模拟,得到了流场和局部含气率变化的示意图,数值模拟与试验的结果基本一致。     

T型微通道气液两相流流动与传热的数值研究

为进行微通道气液两相流动及传热研究,建立了T型微通道模型,利用VOF方法进行数值模拟,对弹状流流型进行了数值分析,考察了弹状流的形成过程、速度、表面张力和粘度对弹状流流型的影响,计算了气泡速度和液膜厚度,并与经验关联式进行比较。结果表明:液体粘度对弹状流的影响较大;而表面张力对弹状流几乎没有影响,当气速一定时,液速越大,气泡的长度越小而液柱的长度越大。气泡速度和液膜厚度与经验关联式的计算结果误差分别为2.57%和4.87%。     

载气蒸发气-液两相流传热特征与过程模拟

本文首先说明了载气蒸发气-液两相流传热特征,并以载气与沸腾液体相接触时液体向载气泡内快速汽化所产生的“界面汽化热阱”说明了其对传热的强化作用;进而建立载气蒸发过程流体流动与传热的数学模型,并进行了模拟计算。     

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.     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

移动网格与Level Set耦合方法在气-液两相流数值模拟中的应用

本文采用自适应移动网格与Level Set函数相耦合的方法来实现气-液两相流的数值模拟与计算.作为自适应网格方法的一种,移动网格方法主要是为了解决发展方程的计算问题而设计的方法.文中给出了移动网格的生成方程,并针对方程的非线性,给出了一种半隐式的离散方法用于进行求解.本文将移动网格方法与Level Set方法相耦合,将控制流体运动的Navier-Stokes方程以及追踪相界面的Level Set方程转换到曲线坐标下,应用一套曲线坐标方程组来同时描述气、液两相流的运动规律,成功实现了对气-液两相流问题的数值模拟.通过对顶盖驱动流的计算以及对液滴沉降现象的模拟计算,验证了本文方法的可靠性.本文对常重力与微重力下两气泡融合的发展规律进行了数值模拟,通过分析对比,得到了重力对两气泡融合变形的影响规律.     

ρ-VOF:一种可清晰模拟自由界面的两相流方法

文章通过对EFM(effective field modeling)模型进行简化, 消除了原模型的非守恒性项和非双曲性特性项, 发展了一种基于密度的气液两相流模拟方法: ρ-VOF方法.利用体积分数信息对控制单元内的自由界面进行重构, 得到了控制单元内流体的空间分布, 并采用AUSM+-up格式获得考虑气液流体接触间断信息的对流通量.新方法可统一处理激波间断和接触间断的相互作用, 保持自由界面的尖锐性, 并且其计算量与自由界面的空间复杂度无关.最后, 数值模拟了液体激波管气液激波管和气体激波跨二维液滴传播等问题, 并与文献结果进行对比, 验证了本方法在气液两相流模拟中的准确性.      

小管径气液两相泡状流双电导阵列探针测量方法

针对气液两相流局部流动参数测量问题,采用沿管道径向等间距放置的五路双电导阵列探针测量法。首先,利用有限元法模拟分析了不同尺寸运动气泡对电导探针输出响应影响,发现气泡对探针有效检测域的作用强度明显受气泡大小及其运动轨迹影响;然后,根据双电导探针电场分布特性对其几何尺寸进行了优化,分析了双电导探针的灵敏场分布特性;最后,通过垂直上升气液两相流泡状流动态实验,获得了双电导探针对气液两相流分散相局部体积含率、局部流速及泡径尺寸测量结果。     

Y型微通道气液两相流的数值模拟

针对Y型微通道气液两相流的数值模拟,建立了适用于微通道气液两相流的计算模型,采用CFD方法对微通道内流体的流动进行了数值研究,分析了微通道内流动状态、气泡形状以及生成周期,模拟了Y型微通道气液两相流弹状流的形成过程,并对弹状流的压力、速度、壁面剪切应力的分布、变化趋势及原因进行了深刻剖析,揭示了弹状流流动规律,为进一步加强弹状流应用打下基础,为微通道中的气液两相流动提供了可靠的理论依据。     

气泡初始尺寸对泡-弹状流型转换的影响

本文对气液两相泡状流向弹状流转换的机制进行了分析,认为气泡合并是影响该流型转换的主要机制,并据此用随机数值模拟方法,对气泡初始尺寸对泡状流向弹状流转换的影响进行了研究。计算结果表明,无量纲气泡碰撞率是一条通用曲线,根据该曲线可以确定气泡初始尺寸产生影响的区域及其大小,与实验结果的比较令人满意。     

液体物性对雾化射流液雾粒径的影响

对不同液体在空气中湍动雾化射流的气液两相流场进行了数值模拟.建立了一次雾化的一维模型,分析了粘度、表面张力和气液质量流量比对液雾粒径的影响趋势,采用基于粒子追踪法的二次雾化三维模型,分析了物性和各种工况对液雾粒径沿轴向分布的影响程度.计算结果和已公开发表的实验数据进行比对,得到了较好的吻合,在此基础上,分析了影响气泡雾化喷嘴雾化质量的主要因素.     

气泡在液态金属搅拌流场中运动与变形的影响因素分析

用"准三维"数值模拟方法研究吹气发泡法制备泡沫铝的过程中,单个气泡在铝熔液搅拌流场中的运动与变形.液体流场采用多重参考系法进行三维模拟,对气泡运动的二维模拟则在三维流场中的一个通过搅拌轴的特征平面上进行.这样既能捕获气泡在搅拌流场中运动的基本特征,又能大大降低计算成本.应用VOF方法对气液两相之间的界面进行追踪.通过改变过程中的转速,气泡初始速度、位置和尺寸.以及表面张力和液体粘度,分析了这些因素对于气泡运动与变形的影响.     

水平管内气液两相流中单气泡形态特征实验研究

本文利用双平行探针技术和摄像方法对水平直管内气液两相流中单气泡的形态特征进行了实验研究。实验结果表明气泡头部和气泡体的形态特征取决于气液混合Fr数,而气泡的尾部特征还与气泡长度有关;气泡的头部结构特征决定气泡的移动特性,而气泡的尾部结构特征决定气泡向液塞区的充气特性:小气泡通过单纯水跃面的气泡尾部向液塞区弥散,而具有阶梯状尾部结构的气泡并不向随后的液塞区弥散小气泡,所以气泡尾部的结构特征的变化决定了弹状流与段塞流的转变。     

方截面鼓泡床气液两相瞬态数值研究

在双流体模型中引入界面浓度输运方程,利用界面浓度和气泡平均Sauter直径模化各相间作用力。引入一附加 湍动能输运方程模化气泡诱导引起的液相湍流。利用该模型对方截面鼓泡床内气液两相流进行三维瞬态数值模拟。计算结 果表明该模型能较好得模拟方截面鼓泡床内气液两相流时均和瞬态流动特征。     

双组分混合物沸腾换热的理论研究

本文利用动态微液层模型对双组分混合物的沸腾换热现象进行了理论预测。本模型认为沸腾换热的机理主要是由于在气泡的周期生长过程中所形成微液层的蒸发。模型中考虑了气泡生长过程中液体传质的影响,给出了气泡生长过程中传热面上气-液-固接触的动态构造,计算结果与实验结果能够较好的符合。     

对流梯形微通道内气液两相流动的数值研究

采用VOF方法,对梯形微通道内不可压缩气液两相流动进行了数值模拟研究,详细分析了气泡形成过程,以及当量直径、截面形状、液体表面张力和粘度等对气泡液柱形成过程和长度的影响,拟合出微通道气泡液柱长度计算公式。结果表明:气泡液柱的长度受表观气速和表观液速的影响较大;表面张力对气泡尺寸的影响较小,当液体粘度增加为水粘度的10倍时,形成的气泡形状不规则。增大表面张力,形成气泡的时间增加;增大粘度,形成气泡的时间减小。     

静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

气液两相流波动信号的时频谱分析研究

为了研究气液两相流不同流型的动态特性,通过小波变换、希尔伯特-黄变换及自适应最优核三种时频方法对气液两相流动态差压信号进行处理.通过对时频谱的分析,可以清晰看出当流型从泡状流向弹状流、塞状流的转化过程中,信号的主要能量由15—35 Hz之间的频带向0—8 Hz频带转移,在弹状流时出现了两个谱峰.实验结果表明:希尔伯特-黄变换及自适应最优核方法的时频分辨率比小波分析高.基于自适应最优核方法的脊信息的提取,克服了模糊平面加窗效应的影响,对气液两相流动态信号表现出更高的时频分辨率,并增强了时频平面信息的可读性. 关键词： 气液两相流 流型识别 希尔伯特-黄变换 自适应最优核