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。     

模拟研究推流式曝气池内横向水流对气泡生成的影响

应用限制项改进Level Set方法的容积守恒性.以改进的Level Set方法,结合ALE数值算法,三维模拟研究了推流式曝气池内横向水流对气泡生成的影响.模拟结果与文献中实验结果定性符合.数值结果显示,曝气池内横向水流对气泡的生成过程有重要的影响:气泡生成的尺寸和时间随着水流速度的增加而减小,随着曝气速度的增加而增加.该研究从流体动力学角度为提高活性污泥法处理效率提供了理论依据.     

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。     

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

基于VOSET方法模拟并排气泡的上升过程

采用VOSET方法和耦合表面张力模型的N-S方程,模拟竖直通道内并排气泡对的上升过程,模拟与实验结果吻合较好.重点研究表面张力系数对并排气泡上升轨迹和速度的影响.结果表明,随着表面张力系数的变化,并排气泡对的上升过程出现三种类型:两气泡融合,两气泡反复靠近、远离但未融合,两气泡碰撞反弹后逐渐远离.在未融合的情况下,并排气泡对的上升轨迹关于通道中心线对称,左右两个气泡的上升速度基本一致,水平速度大小相同,方向相反.     

在直角坐标系用NGFM模拟复杂计算域水下高压气泡膨胀问题

采用NGFM(New version of Ghost Fluid Method)处理复杂计算域的固壁边界,用RGFM(Real Ghost Fluid Method)求解气-水界面附近网格节点的状态参数,从而在直角坐标系下对复杂计算域的水下高压气泡膨胀问题进行数值模拟。流场控制方程选用Euler方程,用五阶WENO格式离散空间导数项,二阶Runge-Kutta法离散时间导数项;气-水界面追踪使用Level Set方法,对Level Set方程,用五阶HJ-WENO(Hamilton-Jacobi WENO)和三阶Runge-Kutta法求解。将计算结果与任意坐标系下的结果进行对比,验证了NGFM在笛卡尔网格中处理复杂形状固壁边界的可行性。得到了水下流场压力等值线图、高压气泡的演变过程以及特定点处的压力-时间曲线。计算结果表明,高压气泡在固壁反射激波的作用下,膨胀过程受到抑制;强激波在固壁的反射会导致固壁附近出现大范围的空化流动。     

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.     

舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟

为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k－ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10~30 μm的气泡存活时间最长, 为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10~30 μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3%.     

倾斜壁面附近上升气泡的直接数值模拟

本文利用基于Front Tracking的3D直接数值模拟方法对高粘度流体中倾斜壁面附近上升的气泡进行了直接数值模拟,以研究气泡与壁面相互作用以及壁面附近气泡运动的机理.在不同的壁面倾斜角(10°,30°和50°)下针对Eo数分别等于0.7和10的两种典型工况计算了气泡的变形、运动轨迹和上升速度并与实验进行了对比.发现倾斜壁面使得气泡被压扁,在较大的倾斜角下气泡不对称变形程度更大、由此导致的流场不对称性也更大,表明壁面垂直方向的速度受到抑制是壁面引发升力的原因.对于不同的倾角,气泡最终都会沿着倾斜表面滑动,而且倾角越大,气泡中心越接近壁面.气泡的上升速度则随着倾角的增大而单调减小,同实验结果的对比吻合良好.     

窄缝中气泡在磁性液体中的上升与变形

对窄缝中气泡在磁性液体中的上升与变形进行了可视化研究。定性分析了纳米磁性颗粒引发的黏度效应及表面活性剂分子依附作用对气泡上升速度与形状的影响。试验工质为体积浓度6.33%的水基Fe_3O_4磁性液体,同时对比了质量浓度25%的四甲基氢氧化铵水溶液、质量分数30%和50%的蔗糖溶液以及水中气泡的上升运动。窄缝间隙分别为1 mm和2 mm,气泡由底部不同直径的圆孔产生。试验结果表明:由于活性剂分子的存在,磁性液体气泡上升过程中由扁椭圆形渐转变为上圆下平的冠状,而其略大于水的黏度使气泡在1 mm窄缝中保持直线上升运动,但窄缝间隙增大到2 mm后,磁性液体中气泡的运动轨迹仍会发生振荡。     

单个汽泡周围的电场数值研究

为明晰电场对汽—液两相系统的效应,本文针对均匀电场作用下的汽液两相流中附着于壁面的单个汽泡,建立了数学模型,考虑了汽泡的存在对电场分布的影响。通过求解电场控制方程,得到了均匀电场作用下汽泡周围及其内部的电势及电场分布的数值解。这为进一步研究 EHD 作用下的两相系统中汽泡的行为,揭示 EHD强化沸腾换热机理奠定了基础。     

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。     

垂直低温两相流管底液氮汽泡上升速度的实验研究

本文对垂直低温两相流管底部液氮汽泡的上升速度运用高速摄像机进行了可视化实验研究,对所采集的实时图像进行处理.在Cole和Mendelson汽泡上升速度经验公式的基础上,通过对液氮汽泡的上升速度的分析,提出了圆管管路底部液氮汽泡的上升速度的拟合公式,分析研究其变化规律,为进一步探求圆管内液氮弹状汽泡的生成机理提供依据.     

基于无网格法的水中气泡上升运动数值模拟

本文对无网格法的一种-移动粒子半隐式法(MPS)进行了较深入的研究,介绍了该方法的基本原理和算法,推导并建立了表面张力和气液两相流等若干粒子作用模型,编程实现了二维情况下水中气泡自由上升运动的数值模拟;对计算结果进行分析并与相关实验结果进行了定性比较,模拟结果显示了移动粒子半隐式法在模拟自由表面和气液两相流问题的优越性,也为研究涉及到大变形的相关问题提供了很好的解决思路.     

电场作用下的气泡受力分析

本文在蠕动流近似的基础上分析计算了具有不同介电常数工质的气泡在外电场力作用下的受力状况。计算结果表明电场力的水平分力使气泡沿场强方向伸长,并且液体和气体相对介电常数之比越大的工质所受的电场力越大。从而,沸腾换热过程中外加电场对液体和气体相对介电常数比值较大的工质能够产生更大的影响。