水下气体射流初期流场的数值研究

水下气体喷射产生一个复杂的非稳态多相流场.为建立两相流场结构的预测方法,并揭示水下气体射流初期的流动演化和气水的相互作用,采用VOF两相流模型对水下气体喷射过程进行了数值模拟,分析了气体喷射形成的复杂流场结构.结果显示,在喷射初期,喷射形成的部分气泡在逆向涡流带动下向后翻卷;管口附近产生压力峰值区,该峰值快速衰减趋近于周围环境压力;射流过程中气液两相流场内形成了复杂的压缩和膨胀波以及涡旋运动.     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

水下气体喷射噪声特性研究

水下气体喷射形成了复杂气液流场,同时伴有频带宽、声压大的排气噪声产生。为研究水下排气流动状态与声压频谱之间的关系,建立水下排气噪声测试系统对水下排气形成的两相流场和排气噪声频谱进行了试验研究。结果表明随着排气速度的逐渐增大,排气形成的两相流场由气泡流态过渡为射流流态。伴随着流态的转换,气液边界面附近不稳定,形成大量体积较小气泡,这些小气泡在排气形成的湍流场激振作用下产生共振,从而辐射噪声;另一方面,这些气泡体积小,表面张力大,当多个气泡相互作用以及气泡形态发生变化时将释放出更高的能量,这些能量会辐射形成噪声;喷射流场的流态对水下排气噪声中频段声压峰值有较大的影响。当射流场由气泡流态过渡为射流流态后,2 kHz处对应的声压峰值呈非线性增大。     

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.     

湍动流化床内气固两相流动特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉双流体模型,颗粒动理学方法模拟颗粒脉动流动和κ-ε双方程模型模拟气相湍流流动,考虑气固两相间耦合作用,数值模拟湍动流化床内气固两相流动行为,获得颗粒浓度和颗粒速度分布.计算结果表明湍动流化床呈现下部密相区、上部稀相区的颗粒分布特性.在密相区,沿床径向方向颗粒浓度在床中心处低、壁面逐渐增高;在稀相区颗粒浓度分布较均匀.沿轴向方向颗粒浓度呈底部浓度高、顶部浓度低的"S"型分布.     

多层桨式搅拌罐内混合过程的数值模拟

搅拌器被广泛应用于许多工业过程中.本文对三层桨式搅拌罐内的混合过程进行了三维数值模拟,采用多重参考系法(MRF)及标准κ-ε模型,分析了8种不同工况下的搅拌功率、罐壁和物料间传热系数分布情况,通过搅拌混合过程的非定常两相流计算得到搅拌过程的混合时间.结果表明,流动模拟可获得详细的流场分布及各项特性参数,计算结果可为工业搅拌过程提供工艺参考.     

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     

水跃流自由面掺气过程数值仿真研究

本文基于欧拉-欧拉双流体模型,并耦合亚网格自由面掺气模型建立了水跃流多尺度数值仿真模型,对水跃流形成过程中相互耦合的大尺度气液界面形成、自由面掺气和气泡流扩散等过程开展仿真研究。得到了自由面掺气形成的不同区域气含量、气泡频率和气泡尺寸等参数分布,研究表明在剪切层区域存在最大气含量和最高气泡频率点。由于高气含量加剧气泡聚合,最大频率位置更靠近底面。沿轴向方向,湍流强度逐渐降低,而气含量逐渐减小使不同位置上气泡直径变化较小。本文数值模型为成功预示水跃引起的多相多区域流场提供了较为有效的方法。     

底吹气体搅拌下熔池内流场的研究

本文对底吹气体搅拌下水模型熔池流场进行了研究。以流函数、涡量为主要应变量,采用K-8湍流双方程模型,气液两相区的浮力模型及边界条件构成数学模型,应用spalding计算湍流迥流的方法,数值求解得到熔池流场涡量、流函数、湍动能、湍动能耗散率、涡旋粘性系数、速度、含气率及密度等的分布,计算的速度分布及流谱与实验测定的相吻合。     

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。     

气液两相流压力波色散特性实验研究

设计了可调频式压力扰动源的气液两相流压力波实验装置,实验研究了垂直上升管内气液两相流泡状流、弹状流压力波的色散规律。实验结果表明,对泡状流,在实验范围内,压力波的传播速度及其衰减跟扰动频率有关,随着扰动频率的增加,波速及其衰减都增加;工质的流速对压力波的色散特性没有影响。结合数值模拟结果,验证了泡状流压力波色散特性的临界频率现象,即高于临界频率,压力波色散特性消失,本文分析了相应的物理机制。对弹状流,压力波同样具有典型的色散特性,已有研究结果还不能预测其色散规律。     

Experimental investigation on flow boiling bubble motion under ultrasonic field in vertical minichannel by using bubble tracking algorithm

Bubble dynamics is important in flow boiling of minichannel, and ultrasonic field effects bubble behaviors. However, flow boiling bubble movements in minichannels under ultrasonic field have received little research attention and are still poorly understood. In this paper, the effects of ultrasonic field on bubble dynamics are experimentally studied by capturing the bubble motion behaviors of the flow boiling bubbles. The ultrasonic frequencies are set to 23, 28, 32, and 40 kHz. Bubble tracking algorithm, which studies the growth, trajectories, velocities, and traveled distances for bubbles, is created to qualitatively describe bubble motion behavior of flow boiling in minichannel. It is found that after the application of ultrasound, the detachment frequency, velocity, and travel distance of the bubbles significantly increases, and the growth behavior and trajectory are extremely complex, the two-phase gas-liquid flow is extremely unstable. The bubbles gain kinetic energy as the ultrasound frequency increases. Finally, numerical simulations are used to quantitatively investigate the mechanism of bubble motion in microchannels under ultrasonic fields.     

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     

垂直上升管泡状流压力波动的多尺度分析

从理想的单气泡运动物理模型和离散正交小波与统计相结合的信号处理技术研究了泡状流压力波动的机理与多尺度时频规律,得到以下结论:泡状流的压力波动主要来源于气泡的运动和诱导湍流及液相湍流,其中在低流速下前者产生的压力波动幅度大于后两者;存在一个临界频率,低于该频率压力信号均方根随频率的增加而增加,高于该频率压力信号均方根随频率的增加而减小;发生流型转变时压力信号的时频特征发生明显改变,最大均方根出现在更低的频率区。     

垂直气液两相流混沌吸引子单元面积分析

为了充分反映吸引子结构随时间延迟的变化规律,在现有吸引子形态描述方法基础上定义了吸引子单元面积,通过仿真发现,吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的高度和时间延迟主要由信号中大幅值波动的数量、频率决定,利用此规律对实验采集到的气液两相流电导波动信号进行分析,发现在固定液相流量条件下,改变气相流量会导致泡状流、段塞流和混状流中大幅值波动幅度的改变,但相同流型信号中大幅值波动的频率比较接近.将吸引子单元面积随时间延迟变化曲线第一个波峰的时间延迟和落差比作为特征量,可以实现泡状流、段塞流、混状流的流型分类.     

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.     

Phase field simulation of single bubble behavior under an electric field

Based on the Cahn-Hilliard phase field model, a three-dimensional multiple-field coupling model for simulating the motion characteristics of a rising bubble in a liquid is established in a gas-liquid two-phase flow. The gas-liquid interface motion is simulated by using a phase-field method, and the effect of the electric field intensity on bubble dynamics is studied without electric field, or with vertical electric field or horizontal electric field. Through the coupling effect of electric field and flow field, the deformation of a single rising bubble and the formation of wake vortices under the action of gravity and electric field force are studied in detail. The correctness of the results is verified by mass conservation, and the influences of different electric field directions and different voltages on the movement of bubbles in liquid are considered. The results show that the ratio of the length to axis is proportional to the strength of the electric field when the air bubble is stretched into an ellipsoid along the electric field line under the action of electrostatic gravity and surface tension. In addition, the bubble rising speed is affected by the electric field, the vertical electric field accelerates the bubble rise, and the horizontal direction slows it down.     

瞬变流中气泡动力过程研究

微气泡的生成等基础问题制约着鼓泡脱气技术的发展。本文基于对文丘里鼓泡器内流场的研究,对不同雷诺数下的气泡动力特性进行研究,采用大涡模拟和流体体积法相结合的数值模拟方法,对气泡在不同瞬时动态变化流场下的动力特性进行研究,通过分析气泡在不同湍流下的表面积,气泡球度,以及气泡表面所处的湍流应力,计算气泡所受的破坏应力与聚合应力之比,得到气泡的临界韦伯数随气泡在瞬变湍流中的变化过程,分析气泡破碎的临界条件。     

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。     

The effect of channel orientation on heat transfer and wall shear stress in the bubbly flow

Results of experimental investigation of heat transfer and wall friction in the upward bubble flow in a flat inclined channel are presented. Measurements were carried out in the range of superficial liquid velocities of 0.3–1.1 m/s and different values of volumetric void fraction. The hydrodynamic structure was measured by means of the electrochemical method with the use of miniature friction sensors. The values of average friction and heat transfer at different channel orientation were determined. It is shown that in the bubble gas-liquid flow we can observe a significant dependence of friction and heat transfer on the angle of channel inclination.