环形小通道内过冷沸腾的气泡行为研究

本文对去离子水在竖直环形小通道内流动过冷沸腾时的气泡行为进行了可视化研究,观察到了气泡在流动沸腾过程中的生长,合并,脱离,滑移及气泡脱离壁面后的运动等现象,并结合气泡动力学理论模型及气泡滑移模型,对实验结果进行了对比分析,总结了本实验通道中气泡行为的特性。     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

微通道过冷流动沸腾气泡滑移特性研究

利用可视化手段实验研究矩形截面微通道过冷流动沸腾中的气泡滑移现象。实验使用截面尺寸为1 mm×1 mm的铜基微通道,使用工质为去离子水,气泡滑移过程由高速CCD相机观察并记录。实验研究发现,微通道过冷流动沸腾中的气泡滑移过程可区分为低速滑移阶段和高速滑移阶段,在不同阶段气泡直径、气泡接触直径以及气泡滑移速度具有不同的变化特点,而且气泡的最大滑移速度发生于气泡脱离通道壁面而进入主流的时刻。同时研究了运行工况对于气泡滑移过程的影响,发现滑移气泡的最大滑移距离和最大滑移速度均随沸腾数Bo的增加而增大。     

高粘度流体中上升气泡的直接数值模拟

本文将基于Front Tracking方法求解气液两相界面迁移特性的直接数值模拟方法扩展到中低Re数情形 (1．89≤Re≤55．6),针对无边界以及垂直壁面附近高粘度流体中单个气泡(1．2 mm≤D≤6 mm)的上升过程进行模拟,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,验证了该方法在中低Re数范围内的有效性。壁面附近流场的不对称引发壁面对气泡的升力是导致气泡逐渐偏离垂直壁面的原因,计算得到的壁面作用力系数同实验结果的对比也确定了本文参数范围内计算壁面对气泡作用力的模型。     

窄流道内压力对汽泡动力学特性的影响

本文采用流道间隙为2 mm和2.5 mm的实验段,以水为工质,对流动过冷沸腾时不同压力下汽泡动力学特性进行了研究.发现在较高压力下,壁面要达到更高的过热度才会出现汽泡,汽泡生长时间更长,汽泡直径较小,生长速度较低;较高压力下生长的汽泡成串排列在加热壁面上,其沿壁面滑移距离随着过冷度和热流密度的增加而增大.较高压力下小汽泡容易发生滑移现象的原因在于高压力使气泡的直径减小,导致气泡的受力发生改变,而使气泡的行为发生改变.     

竖直矩形通道内液体流动

通过对沸腾气泡在液体中的受力分析,建立了沸腾气泡长大过程的动力学方程;进而获得了沸腾气泡的生长速率与脱离直径的计算方法.采用图象捕集与处理系统,对竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡长大与脱离行为进行实验测定,结合模型求解,获得了气泡生长速率、气泡脱离直径、气泡与加热壁面的接触角等参数随操作条件的变化;由模型计算所得的气泡脱离直径与实测值较为符合.     

加热表面粗糙度对高热流密度沸腾传热影响的多尺度数值模拟

本文以沸腾固气液界面为研究对象,建立了包括孔穴活化、液膜蒸发、气泡生长与脱离、壁面热传导等子过程的耦合模型,以探究固气液界面传热对高热流密度沸腾过程的影响。为了能够分辨微米量级的孔穴,模型中10 mm×10 mm的沸腾表面被划分为诸多子区域,每一个子区域中孔穴大小和数量随机分布,当子区域的过热度大于孔穴活化的临界过热度时,一部分孔穴活化生成气泡。进一步结合大液膜蒸发模型获得沸腾传热热流密度,并将其作为边界条件分析加热器热传导特性,从而通过对不同过程的多尺度耦合模拟不同表面粗糙度条件下高热流密度区的核态沸腾曲线,并进一步分析了孔穴数量及分布对加热壁面温度的影响。结果表明:预测所得沸腾曲线与实验结果基本相符,加热表面孔穴数量的增加使沸腾曲线左移,同时,孔穴数目的增多还会使活化点密度对壁面温度波动更为敏感,从而产生交替出现的长短周期。     

圆形破口附近气泡动态特性实验研究

以往对于壁面附近气泡动态特性的研究均是针对完整壁面进行的, 而对带破口壁面附近气泡运动特性的研究很少, 例如舰船结构在遭受药包爆炸冲击波作用后形成破口, 其仍可能会遭受随后生成气泡的二次打击, 破口的存在必定会影响爆炸生成气泡的动力学行为. 本文采用电火花气泡生成与观察实验装置, 对带有破口的壁面附近气泡脉动和射流特性进行研究.通过实验发现, 当气泡在破口同心位置生成时, 破口的存在会使气泡靠近破口一侧形成"腔吸现象", 并使气泡形成对射流. 在此基础上分析了破口大小和无量纲距离对破口附近气泡的影响规律, 最后讨论气泡在破口偏心位置生成时的运动特性, 结果发现破口附近气泡的二次打击威力随偏心距离的增加而增加, 文章旨在为不同边界附近气泡运动规律研究提供参考. 关键词： 气泡 实验 破口 射流     

微通道内流动沸腾气泡生长特性数值研究

利用FLUENT软件,采用VOF多相流模型对水在矩形微通道内流动沸腾过程中气泡的生长进行了数值模拟,分析了壁面热流密度、入口质量通量和接触角对气泡生长速率的影响,并得到了气泡周围的温度和压力分布。结果表明,壁面热流密度和质量通量的增大导致气泡生长速度的增加,而最小的接触角有最大的气泡生长速度,气泡边界上的温度梯度和压力梯度都较大。     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

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.     

近壁面气泡的运动规律研究

基于势流假设,建立气泡与壁面耦合数值模型,运用边界积分法求解,并开发三维计算程序,计算值与实验值符合很好.从气泡与壁面相互作用的基本现象入手,基于开发的程序系统地研究了刚性壁面附近气泡的动力学特性,其中包括水平壁面及倾斜壁面,研究壁面的Bjerknes效应与各特征参数之间的关系,并将各种工况的计算结果与基于Kelvin-impulse理论的Blake准则进行对比分析讨论,得出偏射流方向及壁面压力与气泡的特征参数有密切的关系,同时给出了Blake准则的适用范围.旨在为相关的近壁面气泡动态特性研究提供参考. 关键词： 气泡 壁面 边界积分 Bjerknes效应     

竖直矩形窄缝通道过冷流动沸腾的实验研究

本文以去离子水为实验工质,对常压下竖直窄缝通道内过冷流动沸腾的气泡特性进行了实验研究。通过可视化实验分析发现,汽化核心密度主要受壁面过热度影响,气泡脱离直径受壁面过热度、主流过冷度以及质量流速影响。拟合了汽化核心密度和气泡脱离直径的经验关系式,预测结果与实验值误差较小。     

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。     

气泡碰壁受力模型和反弹规律

对Mo=10-8~10-12及Re=5~750范围内的上升气泡与壁面垂直碰撞问题进行了理论求解，研究了不同控制参数下气泡碰壁反弹的规律.气泡上升和碰撞过程的运动方程考虑了浮力、液体阻力、附加质量力和与壁面碰撞时引起的薄膜诱导力.气泡碰壁过程气泡界面与壁面形成的液膜厚度变化规律由Stokes-Reynolds方程计算得到.膜内气泡变形引起的流体压强采用Young-Laplace方程求解.结果表明，基于SRYL方程的薄膜诱导力模型可以很好地预测不同Reynolds数下气泡0到多次的反弹轨迹，计算结果与实验结果吻合良好.气泡在碰壁反弹过程中会形成丰富的薄膜形状，如酒窝状变形，丘疹状变形和涟漪状变形.气泡界面变形会引起膜内压强的变化，压强的分布规律与气泡界面形状有着重要的关系.气泡在与壁面碰撞的过程中，薄膜诱导力会起主导作用，且随着Reynolds数的增加薄膜诱导力最大量级增大.气泡碰撞壁面时，反弹次数与Reynolds数有着直接的联系，不同Morton数下的气泡均在相同Reynolds数附近发生气泡反弹次数的变化.      

基于边界元法的近平板圆孔气泡动力学行为研究

研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律. 关键词： 气泡 边界元 射流 圆孔     

低气流量时水下微米级针管气泡生成实验研究

目前国内外的水下气泡生成现象研究主要集中在毫米级尺寸的孔洞和针管,微米级的研究相比很少。本文通过自行搭建的实验平台,利用高速摄影的方法,对0.110 mm内径的针管产生水下气泡的行为特点进行了系统的可视化实验并利用Matlab编程对图像进行处理分析,定量分析气泡的形态参数。文中对单气泡生长过程的阶段性、周期性和部分参数变化作了详细讨论,实验中还发现了更高气流量下的多气泡合并现象,并得到气泡脱离体积随气体流量的变化特点。     

泡状流三维模拟及壁面润滑力模型比较

采用双流体模型耦合界面浓度输运方程,对竖直上升管内泡状流进行了三维模拟。结合Wang(1987)的泡状流测量实验,研究了不同壁面润滑力作用下管道界面含气率的分布特征。通过实验测量结果与各种壁面润滑力模型计算结果的对比,分析了各种模型对含气率分布的影响。结果表明,Tomiyama及Frank的模型具有相似的特性,高估了壁面润滑力的大小。而Antal的模型作用范围过于狭小,对气泡分布的峰值的预测偏差很大。Hosokawa的模型则较好地预测了本文工况含气率的分布。     

泡状流三维模拟及壁面润滑力模型比较EI北大核心CSCD

采用双流体模型耦合界面浓度输运方程,对竖直上升管内泡状流进行了三维模拟。结合Wang(1987)的泡状流测量实验,研究了不同壁面润滑力作用下管道界面含气率的分布特征。通过实验测量结果与各种壁面润滑力模型计算结果的对比,分析了各种模型对含气率分布的影响。结果表明,Tomiyama及Frank的模型具有相似的特性,高估了壁面润滑力的大小。而Antal的模型作用范围过于狭小,对气泡分布的峰值的预测偏差很大。Hosokawa的模型则较好地预测了本文工况含气率的分布。     

体相微马达双气泡聚并驱动的界面演化机制

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的～100μs级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.