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.     

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。     

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.     

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.     

压敏漆测压在低速射流撞击壁面的应用研究

压敏漆(pressure sensitive paint,PSP)测压是一种基于发光分子氧猝灭效应的测压技术,与传统测压方式相比具有成本小、空间分辨率高等特点.实验搭建了压敏漆测压硬件平台,开发了数据处理软件系统.利用驻点处的压强与灰度关系拟合了标定曲线,研究了低速射流撞击平板表面的压强分布特性,分析了喷管距离壁面高度和雷诺数的影响.结果表明,当喷管高度h/d<6时,压强分布曲线的峰值压强和半宽度随喷管高度变化基本不变;当喷管高度h/d>6时,随着高度的增大,峰值压强线性减小,半宽度线性增加.采用峰值压强和半宽度对不同喷管高度的压强分布曲线进行无量纲化,压强分布曲线呈现自相似特性.进一步研究表明,在实验雷诺数范围内,压强分布受雷诺数影响较小.      

球形颗粒对固体壁面附近激光诱导空化泡射流行为影响的实验研究

依托高速摄影系统,本文探析了固体壁面和单个球形颗粒附近激光诱导空化泡溃灭过程中的射流行为.在实验过程中,主要对空化泡与颗粒间的无量纲距离以及空化泡与固体壁面间的无量纲距离进行了精确控制.基于高速相机所捕捉到空化泡完整动力学过程的图片和数据,发现无量纲数α(空化泡?颗粒无量纲距离与空化泡?固体壁面无量纲距离间的比值,表征...     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.      

壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

通过数值仿真计算,模拟近壁面以及附壁面气泡在静止流场和高速水流中的溃灭过程,研究气蚀作用机理.结果表明:气泡与壁面的距离和水流的速度影响其溃灭时间;附壁面气泡在高速水流中完全溃灭的时间最短,而在静止流场中最长,远离壁面将增加气泡的不稳定性;当气泡距离壁面一定距离溃灭时,射流不能直接作用于壁面,壁面承受冲击波的最大压力远小于气泡溃灭中心的压力;当气泡溃灭中心在壁面时,射流直接作用于壁面产生微小而严重的点破坏,而冲击波则使材料产生交变应力,造成环形破坏;当气泡在高速水流中溃灭时将产生逆流斜向射流,这可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑和波纹状破坏的主要原因.     

圆管内粗糙壁面处微细颗粒沉积规律研究

针对固体颗粒在圆管中的沉积问题,本文采用DEM(Discrete-Element Method)描述颗粒与壁面的碰撞特征,采用湍流雷诺应力模型结合拉格朗日随机轨道模型对0.01μm~50μm的微细颗粒在壁面的沉积特性进行了研究。考查了颗粒粒径、重力、壁面位置、雷诺数Re、有效表面能、弹性模量对沉积速率的影响。结果表明:下壁面的沉积速率最大,上壁面的最小;颗粒在下壁面的沉积速率随量纲为一的弛豫时间呈V型曲线变化;当空气平均流速为0.5m/s时,颗粒小于1μm时即可忽略重力的影响,并且随着空气流速的增大,需要考虑颗粒重力的临界直径会逐渐增大;颗粒的粘附/反弹特征对沉积有很大影响,有效表面能越大,沉积速率越大;有效弹性模量越大,沉积速率越小;当颗粒小于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而增大;当颗粒大于等于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而减小。     

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

EXPERIMENTAL STUDY ON PROPERTIES OF TURBULENT/NON-TURBULENT INTERFACE OVER RIBLETS SURFACES AT LOW REYNOLDS NUMBERS1)

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.     

基于高速摄影的直角壁面附近柱形空泡动力学行为研究

本文基于高速摄影实验,对直角壁面附近的柱形空泡动力学行为进行了研究。空泡由激光聚焦诱导产生,形成于具有较小间距的两片平行玻璃板之间的液体环境中,从而具有了较为明显的柱形特征。通过改变柱形空泡距离直角壁面顶点的无量纲距离l*和位置角度θ,分别探究了对称和非对称处柱形空泡的完整溃灭行为及变化趋势,并揭示了柱形空泡与直角壁面的相对位置对柱形空泡泡壁变形、形心移动距离及方向等泡动力学特性的影响。研究发现：在第一周期溃灭过程中,柱形空泡远离直角壁面一侧的泡壁将会出现凹陷,并且逐渐发展直至将柱形空泡分为两部分;当空泡位于对称位置时,随着无量纲距离l*的逐渐增大,柱形空泡表面凹陷程度逐渐减弱,且空泡在溃灭阶段的形心移动距离逐渐减小;当空泡位于非对称位置时,随着空泡位置角度θ的减小（对θ<45°的情况而言）,柱形空泡形心的移动方向由指向壁面顶点逐渐变为指向下壁面。     

微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究

球形微马达的气泡自驱动实验揭示了微尺度气泡与邻近微球存在着强烈的相互作用,并驱动微球快速运动,但受限于条件,实验无法给出二者相互作用的关键力学因素。为研究这一问题,将微气泡的生长与溃灭类比于虚拟壁面的膨胀与收缩,采用有限元分析法模拟研究了这一瞬态流动。结果表明,微气泡生长与溃灭不具备微尺度流动的可逆性,高速溃灭会使得雷诺数Re显著增大,引入的惯性力驱使邻近微马达产生净位移。这一研究给出了利用气泡动力学打破微尺度游动扇贝定理的新力学机制,并对Janus微马达气泡高效驱动的现象进行了合理解释。     

气泡碰撞亲疏水曲壁的行为特性研究

气泡碰撞固壁行为和影响因素的研究一直以来都是科学界关注的重点之一, 其在矿物浮选、气膜减阻等工业领域中的应用也极具科研价值. 论文聚焦曲壁对于气泡撞击行为特性的影响研究. 采用高速摄像技术记录气泡碰撞不同曲率半径下亲疏水曲壁的撞击过程, 分析了曲壁润湿性、曲率半径对气泡碰撞固体曲壁的影响规律. 结果表明, 气泡碰撞亲水曲壁时会发生多次弹跳直至离开曲壁; 曲率半径越大, 弹跳次数越少, 且第一次反弹的最远距离越近, 再次发生碰壁时的速度越小. 而碰撞疏水曲壁时会出现碰撞?滑移?附着的现象, 此外针对液膜挤压破裂的现象, 建立理论模型推导出液膜诱导时间的预测公式, 其主要与液膜厚度、液膜临界破裂厚度和液膜被压缩速度有关, 预测误差小于5.0%.      

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.