轴向旋流式微气泡发生器的结构设计与数值模拟

设计了一种旋流式微气泡发生器,由环形注气机构和新型气泡破碎机构两部分组成,前者采用中心圆环+微孔板结构,后者由静止起旋元件和文丘里管组成,采用ANSYS FLUENT软件对新型气泡破碎机构的流道进行数值模拟,并与常规文丘里流道对比. 结果表明,新型气泡破碎机构流道内的水流速度、径向速度梯度、湍动能和湍能耗散率均大于常规文丘里流道,常规文丘里流道出口处产生的微气泡直径为新型气泡破碎机构的2倍. 采用响应曲面法优化静止起旋元件结构,优化后的叶片出口角度为35?,中心圆柱体直径为12.3 mm,叶片长度为10 mm,优化后的气泡破碎机构产生的微气泡直径为优化前的75%.     

注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析

尽管文丘里管式微气泡发生器的注气口位置会对气泡在文丘里流道内的碎化特征产生直接影响,但迄今缺乏针对性的深入研究。通过可视化实验方法,对比分析了注气口分别位于喉管处（结构1型）和进水管处（结构2型）时的气液流型、气泡破碎特征以及成泡特性。实验表明,气、液相流量对结构1型微气泡发生器内的气液流型影响显著,初始成泡区域随液相流量增加,环状流或泡状流向弹状流转变,而随气相流量增加则由泡状流或弹状流向环状流转变;结构2型微气泡发生器则在此过程中始终为泡状流,其对操作工况的适应范围大于结构1型。在相同工况下,结构1型微气泡发生器的成泡Sauter平均粒径小于结构2型,但随着液相Reynolds数的增大,二者间的成泡平均粒径差值随之减小。分析原因是由于弹状流流型下,延伸至扩张段区域的弹型泡的表面积更大,能量转化率更高,气泡界面失稳碎化的程度更显著。随着液相Reynolds数的增大,初始成泡体积减小,湍流破碎机理作用占据主导,掩盖了由于界面失稳引起的气泡破碎。结构1型微气泡发生器的成泡能耗高于结构2型,并且随液相Reynolds数的增大,两者之间的差值随之增大。综合来看,结构2型微气泡发生器能够在低能耗下实现高效成泡,面向工程应用将更具优势。     

流体振荡器气泡碎化特性数值模拟

为了探究流体振荡器中气泡碎化特性,采用重整化群(RNG) k-ε湍流模型和流体体积函数(VOF)多相流模型研究流体振荡器中的气液两相流。通过数值模拟分析了气泡在流场中的变形和破碎行为,考察不同流动参数对气泡破碎的影响。同时进行可视化实验,用实验结果验证了模拟的准确性。结果表明,流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置。振荡频率越高,流体振荡器中的气泡碎化效果越好;随着液速增大,气泡变形程度加剧,破碎概率增加,生成子气泡也越多;剪切应力和涡流碰撞是导致气泡破碎的主要机制;射流振荡促使气泡向振荡腔壁面偏移,气泡初始直径越大,水平偏移量越大,越容易发生破碎。     

文丘里式气泡发生器内气泡破碎机制分析

作为一种高效、安全的气泡发生装置,文丘里式气泡发生器在工业、化工等过程有广泛的应用,但对其内部气泡破碎过程和作用机制相关研究较少。前期研究发现,较大气泡进入文丘里管扩张段后会发生迅速减速,并对气泡碎化过程产生极大影响。基于大涡模拟方法,对文丘里式气泡发生器内的流动过程进行了数值模拟,发现在扩张段近壁面存在明显的涡流区,涡流区前端与上游来流发生强烈的碰撞,造成进入此区域的流体发生迅速减速,使得涡流区与主流交汇区附近静压急速增大;当此区域存在运动的气泡时,激增的压力梯度力以及附加质量力导致气泡运动速度迅速减小,并与周边流体形成了更强的相互作用;高流速条件下,会使气泡发生严重变形、甚至破碎。     

文丘里喷雾器数值模拟的研究进展

文丘里喷雾器作为工业上一种重要的除尘传质设备,因其传质效率大大优于传统的传质混合设备,所以其越来越受到人们的关注.针对文丘里喷雾器雾化效果的特点,从数值模型角度综述了文丘里喷雾器的研究进展,其中VOF模型主要适用于喷雾器的初次雾化过程,DPM模型需要人为设定雾化初始颗粒的大小及分布,其分布函数一般为半经验半理论的分布函...     

文丘里管空化器内空泡动力学特性的数值模拟

研究了文丘里管空化发生器内空泡的成长、溃灭特性,根据基本的R-P空泡运动方程,考虑了液体粘性、表面张力和可压缩性等因素的影响,运用四阶Runge-Kutta法对空泡径向非线性运动方程进行求解,得到空泡径向演变过程以及溃灭压力的变化趋势.讨论了初始汽泡半径、入口压力和文丘里管的喉径比等因素对空泡演变过程的影响.结果表明,流体的可压缩性对空泡溃灭的影响最大;空化发生器结构参数以及操作参数均对空泡运动特性产生影响,从而影响空化强度.所得结果对空化流场中空化泡演变规律的研究以及水力空化发生器的设计具有指导意义.     

文丘里管内非对称流动的数值模拟

针对文丘里管这类具有完全对称结构的缩扩管道,分别对二维通道和三维管内流动建立了不可压缩非稳态数学模型,采用数值模拟的方法,研究了流动分岔现象,重点探讨了在这种对称结构下出现的非对称流动。数值模拟结果表明,当Reynolds数超过某临界值,对称结构的文丘里管内流场都出现了非对称现象,在扩展角部产生不规则的回流区。其流动主要受Reynolds数和管道几何形状的影响,并具体说明了流动不对称特性随这两者的变化规律。     

文丘里管内非对称流动的数值模拟

针对文丘里管这类具有完全对称结构的缩扩管道,分别对二维通道和三维管内流动建立了不可压缩非稳态数学模型,采用数值模拟的方法,研究了流动分岔现象,重点探讨了在这种对称结构下出现的非对称流动。数值模拟结果表明,当Reynolds数超过某临界值,对称结构的文丘里管内流场都出现了非对称现象,在扩展角部产生不规则的回流区。其流动主要受Reynolds数和管道几何形状的影响,并具体说明了流动不对称特性随这两者的变化规律。     

文丘里管空化生成微米气泡的试验

微米气泡在工业中应用广泛,采用文丘里管空化产生微米气泡具有结构简单、能耗低等优点。为探究文丘里管空化过程微米气泡的生成规律,文中以水为介质、高速摄像为测量手段,探讨了空化数对于微米气泡尺寸分布的影响。试验发现：空化程度最剧烈时气泡直径分布最广,在20～230μm,并服从多元高斯分布;随着空化数的增加,空化程度有所降低,气泡Sauter平均直径增加而气泡数量降低。此研究为空化生成微米气泡的方法提供了重要的数据支撑。     

基于截面气含率的文丘里湿气压降模型

运用两相流理论对湿气中的气相与液相流动进行分析,在分层流与环雾状流的条件下推导了两相流通过水平标准文丘里流量计的理论模型.通过分别考虑截面气含率、相间摩擦以及液滴夹带等因素,在文丘里轴向对湿气流动中的气相动量方程进行求解.通过对水平直管中的截面气含率公式进行修正,建立了适用于收缩管道的截面气含率模型,并在此基础上模拟了湿气流经标准文丘里时其两个取压孔之间的轴向静压分布.实验证实,使用修正后的截面气含率公式将使模型对文丘里压降的预测准确度明显提升,其相对误差在15%以内.该模型以湿气两相流在水平文丘里中的流动形态为依据,具有较充分的物理背景,而且在推导过程中较少依赖特定实验装置与数据,为建立具有一定普适性的文丘里湿气计量模型奠定了基础.     

鼓泡塔内气泡羽流周期性摆动的数值模拟

以二维和三维鼓泡塔内气液二相流动的动态特性为研究对象,寻找各自合适的湍流模型和边界条件设置。二维鼓泡塔的进口气速采用2种不同的方法:①实际进口速度法;②均值修正法。湍流模型选用标准k-ε湍流模型、RNG k-ε湍流模型。结果显示二维模拟使用RNG k-ε湍流模型、三维模拟使用标准k-ε湍流模型能够得到周期性的羽流摆动,且二维鼓泡塔的进口气速采用均值修正法能够得到较合理的摆动周期。     

矩形鼓泡塔流体动力学数值模拟

鼓泡塔反应器内流体动力学特性预测对于鼓泡塔的设计和发展具有重要意义。文中应用CFX4.4商业软件,采用k-ε模型中气泡诱发湍流模型,对较高鼓泡塔中湍流弥散力影响和Tomiyama模型的作用进行了数值模拟。研究发现,目前通用的湍流弥散力对所研究的气泡流体动力学影响很小,引入带有气泡诱发湍流模型的Tomiyama模型能获得较好的速度分布。在这种情况下,Pfleger&Becker的模型要优于Troshko&Hassan模型,原因在于后者高估气泡诱发湍流时间尺度。     

三维液氮空化的大涡模拟和机理

以三维扭曲翼型（Twist-11N）为研究对象,基于大涡（LES）湍流模型开展了三维液氮空化的数值模拟。通过压力波动曲线得到了液氮空化的空泡脱落周期,观察周期内空泡脱落的过程,与常温空化的数值模拟结果对比,得出了低温空化具有脱落更彻底、过程更复杂的特性。从压力分布和气相云图观察到了三维模拟特有的尾部回射流和侧面射流,分析了三维空化不同于二维的独特性。从涡旋角度分析了空泡脱落与流场的关系,认为空化的发生首先导致了流场的不稳定和涡旋的产生,而涡旋的发展造成了流场边界层分离和空泡的脱落。     

微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

Large eddy simulation of microbubble dispersion and flow field modulation in vertical channel flows

Turbulent liquid–gas vertical channel flows laden with microbubbles are investigated using large eddy simulation (LES) two-way coupled to a Lagrangian bubble tracking technique. Upward and downward flows at shear Reynolds numbers of Re _τ = 150 and 590 are analyzed for three different microbubble diameters of 110, 220, and 330 μm. Predicted results are compared with published direct numerical simulation results although, with respect to comparable studies available in the literature, the range of bubble diameters and shear Reynolds numbers considered herein is extended to larger values. Microbubble concentration profiles are analyzed, with the microbubbles segregating at the wall in upflow conditions and moving toward the channel centre in downflow. The various forces acting on the bubbles, and the effect of the flow turbulence on the bubble concentration, are considered and quantified. Overall, the results suggest that the level of detail achievable with LES is sufficient to predict the fluid structures impacting bubble behavior. Therefore, LES coupled with Lagrangian bubble tracking shows promise for enabling the reliable prediction of bubble-laden flows that are of industrial relevance. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 65: 1325–1339, 2019     

规整填料表面液膜流动特性的数值模拟

精馏过程气液两相流运动分布特征对分离效率具有重要影响。为研究规整填料表面液膜流体动力学特性建立了基于VOF方法的CFD分析模型,并基于文献试验结果进行了验证。对液膜随时间和空间的演化分布特征、速度场分布和液相流量影响进行了模拟分析。液膜在波纹顶部下沿聚集形成凸起状波峰,在波纹底部波峰消失,而到达下节波纹上沿时,波峰重新形成;瞬态液膜厚度随时间波动,且沿填料表面液膜平均厚度先减小后保持稳定;发现液相聚集及形成液滴坠落容易导致出现干板区。不同位置液膜速度分布存在明显差异,沿填料表面液膜平均速度先增后减或保持稳定;液膜绕过波纹顶部时会加速,在波纹底部和上沿处会减速。液相流量增大,液膜平均厚度和速度均有所增大。     

基于EMMS模型的搅拌釜内气液两相流数值模拟

采用欧拉-欧拉模型对搅拌釜内气液两相流进行了三维CFD模拟,重点研究了采用不同曳力模型时CFD模拟对搅拌桨附近排出流区两相流动的预测能力。模拟结果表明CFD能准确地预测排出流区的液相速度分布,但采用传统的Schiller-Naumann曳力一定程度上低估了排出流区的气液相间曳力,导致在完全扩散区CFD预测的分布器和桨叶下方区域气含率偏小,而基于气液非均匀结构和能量最小多尺度（EMMS）方法得到的DBS-Global曳力模型能更准确地描述完全扩散区气液搅拌釜内流动情况。与传统曳力模型相比,采用DBS-Global曳力模型能显著提高对气含率的预测。