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。     

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.     

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。     

微通道流动沸腾气泡受限特性实验研究

本文利用可视化手段实验研究矩形截面微通道(1 mm×0.5 mm)内发生流动沸腾时气泡的生长及受限现象。实验使用去离子水为工质,气泡受限过程由高速CCD相机观察并记录。研究发现,气泡高度方向通道壁面的存在对气泡在该方向的生长产生强烈的限制作用,气泡生长后期顶端气液界面在并未与限制壁面接触时其曲率便明显减小,壁面对气泡生长的限制作用通过其对气泡界面施加一个壁面限制力而体现.通过对比不同运行工况条件下的气泡受限现象,分析讨论了气泡受限过程中其界面形状变化规律及影响因素。     

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.     

微气泡形成过程及温度影响

运用平衡态分子动力学理论对含有液氩分子微正则系统的微气泡的形成过程进行模拟.采用五阶预估-校正有限差分法对每个分子的牛顿运动方程进行求解,该方法能够较好地满足能世守恒特性.通过统计各时刻系统的动能,势能以及总能量,得到了气泡生长过程中各相分子的分布形貌,并且分析了温度对气泡生长过程的影响及相界面不稳定的原因.模拟得到:气泡形成过程可分成四部分:团聚段、成核段、等温成长段以及等压成长段,以此粗略估计气泡的成核时间大约为0.2×10-11s.温度对于沸腾的团聚和成核时间没有影响.当过热度大于22 K时,随着过热度增大,两相区域数密度波动特别大.相界面不稳定是气泡的破碎引起的.     

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.     

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.     

气泡成核过程的格子Boltzmann方法模拟

利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线. 关键词： 格子Boltzmann方法 气泡成核过程 气液相变 接触角     

液滴碰撞对液膜内汽泡运动与换热影响

采用数值模拟的方法,研究了沸腾雾化喷射过程中热壁面薄液膜层受到液滴碰撞扰动时液膜层内汽泡运动,相界面变化和由此引起的壁面换热特性.模拟结果显示汽泡生长初期相界面变化与液膜层内二次核化特征与文献结果吻合良好,汽泡生长后期相界面变化存在滞后.讨论了液滴下降速度.液滴直径与初始位置,多液滴碰撞对液膜层内流动与壁面换热的影响.     

气泡在内置交错矩形肋管道中自由上升的FTM直接数值模拟

采用直接数值模拟的FTM（Front-Tracking Method）方法研究在重力作用下单气泡在竖直内置矩形肋管内的自由上升.选择矩形肋的肋高、肋距与方管宽度的比值作为管道几何特征值,用莫顿数作为流体特征参数,分析不同肋高、肋距及莫顿数情况下的气泡自由上升,研究不同几何特征及流体参数对气泡运动轨迹的影响.研究表明：在矩形肋片的影响下气泡上升时形状不对称,存在水平方向位移,表现为"蛇形"上升.这种现象与管道几何结构及气泡周围流体性质有关,肋高越大,现象越明显;气泡周围流体的粘度越小,水平方向位移越大.     

A direct comparison between volume and surface tracking methods with a boundary-fitted coordinate transformation and third-order upwinding

A Volume Tracking (VT) and a Front Tracking (FT) algorithm are implemented and compared for locating the interface between two immiscible, incompressible, Newtonian fluids in a tube with a periodically varying, circular cross-section. Initially, the fluids are stationary and stratified in an axisymmetric arrangement so that one is around the axis of the tube (core fluid) and the other one surrounds it (annular fluid). A constant pressure gradient sets them in motion. With both VT and FT, a boundary-fitted coordinate transformation is applied and appropriate modifications are made to adopt either method in this geometry. The surface tension force is approximated using the continuous surface force method. All terms appearing in the continuity and momentum equations are approximated using centered finite differences in space and one-sided forward finite differences in time. In each time step, the incompressibility condition is enforced by a transformed Poisson equation, which is linear in pressure. This equation is solved by either direct LU decomposition or a Multigrid iterative solver. When the two fluids have the same density, the former method is about 3.5 times faster, but when they do not, the Multigrid solver is as much as 10 times faster than the LU decomposition. When the interface does not break and the Reynolds number remains small, the accuracy and rates of convergence of VT and FT are comparable. The well-known failure of centered finite differences arises as the Reynolds number increases and leads to non-physical oscillations in the interface and failure of both methods to converge with mesh refinement. These problems are resolved and computations with Reynolds as large as 500 converged by approximating the convective terms in the momentum equations by third-order upwind differences using Lagrangian Polynomials. When the volume of the core fluid or the Weber number decrease, increasing the importance of interfacial tension and leading to breakup of the interface forming a drop of core fluid, the FT method converges faster with mesh refinement than the VT method and upwinding may be required. Finally, examining the generation of spurious currents around a stationary “bubble” in the tube for Ohnesorge numbers between 0.1 and 10 it is found that the maximum velocity remains approximately the same in spite mesh refinements when VT is applied, whereas it is of the same order of magnitude for the coarsest mesh and monotonically decreases with mesh refinement when FT is applied.     

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.     

近壁面气泡运动特性的数值计算

采用体积加速度模型确定水下爆炸气泡运动的初始条件,基于MSC.DYTRAN有限元软件开发了定义流场初始条件和边界条件的子程序,对气泡在水平刚性壁面附近的运动特性进行了数值模拟,通过对比发现数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,证明了初始条件定义、子程序开发和有限元模型建立的正确性和数值计算的准确性。以此为基础,研究了水深、泡心与刚性底面之间的距离对气泡动态特性和射流速度的影响,通过数值计算得到了一些有规律的曲线。计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定的参考价值。     

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.     

Inertial microfluidics with multi-particle collision dynamics

Using the method of multi-particle collision dynamics (MPCD), we investigate inertial focussing in microfluidic channels that gives rise to the Segré-Silberberg effect. At intermediate Reynolds numbers, we model the motion of a spherical colloid in a circular microchannel under pressure-driven flow. We determine the radial distribution function and show how its width and the location of its maximum are strongly influenced by the colloid size and the Reynolds number of the Poiseuille flow. We demonstrate that MPCD is well suited for calculating mean values for the lift force acting on the colloid in the cross-sectional plane and for its mean axial velocity. We introduce a Langevin equation for the cross-sectional motion whose steady state is the Boltzmann distribution that contains the integrated lift force as potential energy. It perfectly coincides with the simulated radial distribution function.     

Dynamic behavior of a single bubble between the free surface and rigid wall

The objective of this paper is to apply high-speed photography and schlieren method to investigate the bubble dynamics between the free surface and a rigid wall. The temporal evolution of the bubble shape and the free surface motion are recorded by two synchronous high-speed cameras. Experiments are carried out for a single bubble generated at various normalized stand-off distances from bubble center to the free surface and to the rigid wall. The results show that (1) three distinctive patterns are identified with the morphology of the bubble and free surface, namely single toroidal bubble without spike (STB), single toroidal bubble with a spike (STBS) and double toroidal bubbles with a spike (DTBS). (2) The dynamic characteristics of the bubble at collapse and rebound stage vary evidently at different patterns, including the bubble shape variations and free surface motion. In detail, the schlieren images show the formation and propagation of shock waves, which explains the radiative process of bubble collapse energy. (3) Qualitative comparisons are carried out for the bubble and free surface at the same pattern. And quantitative analyses are conducted for the jet velocity, bubble collapse position, bubble collapse time and spike height, etc. for different values of bubble-rigid wall distance.