气泡运移特征可视化观测装置研制及应用

气液两相流动过程中,气泡的形态变化时刻影响着流动的发展。为分析气泡在运移过程中的形态变化,该文研制了一套气泡运移特征可视化观测装置,包括管道模块、动力模块及数据采集模块。为了验证装置的可靠性,开展了不同液相黏度、不同液速及不同管道倾角下的气泡运移实验。实验结果表明,该装置操作简单、功能多样,可清晰地展示并记录气泡在不同液相环境下的运移轨迹及状态,并得到气泡的速度变化数据,实验结果直观可靠。结果证明该装置可解决因气泡运移特征复杂、影响因素多而难以获取直观数据的问题,对研究气液两相流动及气泡动力学领域的相关问题具有一定意义,可推广应用。

高速跨介质入水多相流动与流固耦合特性研究综述

高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。

温度敏感凝胶推进剂中气泡间相互作用机理研究

为了研究凝胶推进剂除气工艺过程中的气泡两相流问题,采用Carreau-Yasuda模型描述凝胶的剪切稀化特性,并进一步引入了温度敏感性本构描述。数值上,运用流体体积方法研究了剪切和温度敏感耦合的凝胶中浮力驱动气泡的运动特性和气泡间的相互作用机理,关注了气泡的初始排列、气泡个数以及凝胶温度的影响。研究结果表明,主导气泡的尾流以及底部的低粘区会吸引尾随气泡并加速尾随气泡的上升;水平排列的气泡间由于强涡量场会存在一定的横向排斥力;温度上升带来的黏度下降会加速气泡的融合和上升,并且增强了气泡间的相互作用。

电容层析成像垂直环空气液两相流动实验

为了研究石油与天然气钻井溢流期间井筒环空中的气液两相流动规律,设计并搭建了一套垂直井筒环空气液两相流动实验装置,创建了电容层析成像(ECVT)和含气率分析的流型识别方法。通过实验表明:该实验揭示了含气率随气液相表观速度、黏度的变化规律;实现了对不透明井筒环空内气液两相流动过程的实时可视化和定量化表征。该实验装置可作为垂直井筒环空中气液两相流动特征、气体运移、流型转化研究的重要手段,也可用于实验教学、大学生创新性实验项目等。

波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散研究

由于氢气密度低,泄漏后的掺氢天然气在海洋波流作用下的浮升扩散行为有别于纯天然气,其泄漏扩散规律有待明晰。利用计算流体力学方法数值模拟了波流联合作用下掺氢输气海管泄漏扩散的过程,结果表明气体泄漏的过程可分为泄漏初期、向上浮升以及横向迁移3个阶段。当掺氢比φ_(H2)<50%时,氢气泡的运动轨迹受天然气泡的影响显著。气体浮升高度和扩散直径的变化与时间成正相关,且随着掺氢比的增大,泄漏气体到达液面所需的时间延长。天然气泡和氢气泡直径在上升的过程中都逐渐增大,两者的浮升速度随浮升高度的增加先增大后减小,天然气泡的浮升速度衰减更快。氢气泡直径随掺氢量的增加而增大,天然气泡直径随掺氢量的增大而减小,两者的上升速度随着掺氢量的增大都表现出先增大后减小的趋势,且氢气泡的上升速度大于天然气泡的上升速度。波长和海流流速越大,泄漏气体的扩散直径越大。

自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性

气泡破碎是自然界和工、农业生产中常见的现象。气泡在破碎过程中因气流流动而产生强烈的扰动,导致破碎时产生强烈的气动声学。该文采用实验和理论相结合的方式对自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性进行了研究。研究发现:随着液体表面张力系数的增加,声发射的特征振幅逐渐增大;随着气泡半径的增加,声发射的特征振幅逐渐增大。理论计算结果与实验结果基本吻合。

方柱微结构内气液界面振荡特性数值研究

重力突然下降引起的气液界面振荡和重构对空间流体管理具有重要影响.考虑到贮箱壁面润湿特性在该问题中的重要作用,借鉴传热强化领域方柱微结构表面设计思想,提出一种利用方柱微结构壁面对液体振荡的衰减作用实现空间贮箱被动防晃的方法.采用流体体积法(VOF)对一种方柱微结构形成的异形基本单元内气液界面振荡特性进行数值模拟,分析自由液面随时间的变化特征,并讨论系统振荡频率、阻尼特性等与能量耗散特性密切相关的参数变化规律.研究发现,初始液位主要影响液面振幅,振幅随着初始液位高度的减小而增大,但是液位过低时振荡过程会出现液面触底而加剧耗散;接触角对振幅和阻尼比都有影响,接触角增大,振幅和阻尼比均有所减小.

基于Hurst指数的严重段塞流多尺度分形特性

基于多尺度方法和Hurst分析方法,分析了严重段塞流的多尺度结构及其非线性特征。以空气、水两相混合物作为实验介质,利用高速数据采集板获得了集输立管内气液两相严重段塞流的压差波动信号。使用db4小波在1~8尺度下对压差信号进行分解和重构,提取不同尺度的系统动力学特征,发现严重段塞流气液喷发和液体回落的瞬态过程主要体现在d5~d8尺度的细节信号上。通过对压差波动信号不同尺度下的分解信号进行Hurst指数分析,发现严重段塞流存在显著的双分形特征,同时受正持久性和反持久性两种动力学因素的制约,但概貌分量和细节分量表现出截然相反的分形结构,概貌分量具有正持久性,而细节分量具有反持久性。d1尺度下的细节分量描述了微尺度的气泡与气泡之间的相互作用;d2~d5尺度下的细节分量描述了微尺度的液体与气泡之间的相互作用;d6~d8尺度下的细节分量描述了宏尺度的气液两相与管壁之间的相互作用。压差波动信号的能量主要分布于宏尺度上。

管内相分隔状态下湿气两相流双参数测量方法

能源转型使得天然气产量保持快速增长、进入高质量发展阶段,目前天然气产业体系结构也日渐完善。传统天然气流量计难以满足对现有测量精度和实时性的需求,湿天然气中液相组分影响了测量结果,这将极大地增加湿气计量的难度与成本,因此亟需一种简单便捷、高精度的在线测量方法。本研究旨在探索湿气流量的双参数测量方法,并采用叶片式旋流器将难以测量的液滴或分层流形成为气柱-液环的管内相分隔状态,来减少流型对实验的误差影响,通过采用文丘里管测量轴向压差、径向压差双参数,得出了湿气双参数测量方法。针对在高压的天然气密闭输送条件下,通过分析管内相分隔状态下相分布、压力场和速度场等因素对双压差的影响,建立了具有良好适用性的多因素相关性测量模型,并在TH油田湿气实验平台进行了现场试验验证及校准,试验效果良好并且气相与液相质量流量的误差范围为±5%和±9%。

液桥的动态界面特性对液-液自发渗吸的影响研究

在自然界和工业应用中,多孔介质中的多相流动现象普遍存在,如地下水流动、油气开采、非饱和颗粒材料等.在这些过程中,液桥的存在对多相流动产生显著影响.基于改进的液-液自发渗吸理论模型及改进流-固作用力格式的两组分Shan-Chen模型,研究了液桥的存在对毛细管内液-液自发渗吸的影响.结果表明:与不含液桥的渗吸过程相比,液桥的存在使得毛细管内产生3个界面,显著增大了系统的动态接触角,降低自发渗吸速度.随着润湿性的增强,液桥的存在使得界面动态变化特性增强的幅度更大.当液桥的黏度小于非润湿流体的黏度时,整个系统的动态接触角随着渗吸长度的增加而增强;若二者黏度相等,整个系统的动态接触角为一稳定值;而当液桥的黏度更大时,整个系统的动态接触角随着渗吸的进行逐渐减小.将模拟获得的实时动态接触角纳入至渗吸理论中,可以改善由液桥界面动态变化导致的渗吸长度的理论值与模拟结果间存在的偏差,并得到与模拟基本一致的结果.文章还利用模拟数据,系统地评价了Cox-Voinov模型对含有液桥以及不含液桥体系的渗吸过程中的界面动态变化特性及渗吸长度预测能力.

非定常自由面流动模拟的反扩散VOF算法研究

VOF(Volume of Fluid)方法由于其良好的守恒性和网格适应性,且具有计算资源需求相对较小等优点,成为船舶水动力学领域自由面流动CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟的主流方法。但原始的VOF方法存在较为严重的界面扩散问题,导致模拟的界面厚度过大、空间分辨率不够,进而影响流场相关变量的计算精度,这一问题在非定常自由面流动模拟中尤为明显。本文针对上述问题,通过在VOF控制方程中引入人工对流项以达到抑制界面扩散、压缩界面厚度的目的,并采用隐式离散人工对流项的方式提高计算稳定性,形成了反扩散VOF算法。经Zalesak和剪切场等经典算例在不同数量网格下的测试验证,表明反扩散VOF算法能够大幅压缩界面厚度,同时明显减小质量误差。随后的三维无障碍溃坝算例和破舱进水算例,进一步证明了反扩散VOF算法在实际非定常流动模拟中能够更好地捕捉自由面并提高计算精度。

Marangoni流动对液滴撞击过热液池影响的数值模拟

对液滴撞击过热液池的动态过程进行数值模拟,着重关注由液池表面不均匀温度引起的马兰戈尼效应(Marangoni effect)对液池内的流场和温度场演化过程的影响。当乙醇液滴落入过热油池后,液池表面温度随着液滴的靠近而迅速下降,从而在径向上产生很大的温度梯度。由此引发的沿径向向内的Marangoni力会与沿径向向外的蒸汽剪切应力相抗衡,进而在蒸汽层最薄的位置形成一个“热射流”结构。随着时间的推进,占据主导地位的Marangoni力逐渐将“热射流”向内推动,直至在液滴下方形成下沉羽流。此外,随着液池黏度的增加,液池内由表面蒸汽应力引起的流动将被抑制,进而导致界面附近的换热效率大幅下降。

受限管道内移动气泡的液膜界面形貌研究

受限管道中的气泡移动在诸如二氧化碳填埋与驱油、心脑血管和肺部气液输运等领域具有重要的应用,液膜动力学以及气-液界面的形貌演变这些关键问题受到关注.文章旨在通过基于光干涉的实验方法,探究气泡在受限管道内移动过程中,气体与管壁间的液膜相对厚度分布,并分析其变化规律,得到周期性变速移动气泡引起的液膜厚度特征.通过液滴微流控的流动聚焦法,分别在蛇形延长管道和平直短管道内形成了匀速移动的气泡和变速移动气泡.利用绿色光在气-液和液-固界面产生的两道反射光之间干涉所形成的条纹,通过相对光干涉强度(ROII)方法得到液膜厚度分布.发现在与气泡固连的参考系中,匀速移动气泡引起的液膜厚度呈稳态分布,且得到了与以往的研究工作相符的、接近气泡尾部的马鞍形厚度分布,证明了该实验方法的有效性.在气泡进行周期性减速—加速—匀速的移动过程中,气泡参考系内的液膜厚度呈现了随时间周期性变化的厚度分布.气泡加速与减速均引起了界面形貌的整体变化,且体现出了滞后性.本研究发现了变速移动气泡特殊的液膜厚度演变规律,将为针对受限管道内气泡的理论和计算研究提供实验观测的依据.

液滴冲击过程动态接触角模型研究

基于计算流体力学(CFD)模拟液滴冲击壁面,对于理解液滴在固体壁面铺展的动力学行为有重要的意义,可以为超疏水结构设计及防除冰涂层开发提供技术支撑,其中的难点在于如何在模型中准确刻画接触线及动态接触角的演化过程.总结了四种典型的动态接触角模型,从理论上分析了其应用范围,借助FLUENT中的UDF功能,将动态接触角模型应用于壁面边界条件.首先对液滴冲击光滑壁面的动力学过程进行了数值模拟研究,通过定量分析液滴形态的各项参数变化并与实验结果对比表明,Seebergh动态接触角模型更适用于模拟低毛细数下液滴的运动,Kistler模型与Jiang模型应用范围更广并且可以较准确地描述高毛细数下液滴的运动.随后基于Kistler动态接触角模型,对液滴在微结构表面的冲击与铺展过程进行了仿真研究,发现应用动态接触角模型会导致液滴内部流场在表面张力起主导作用的阶段内发生变化,并且在平衡状态下液滴接触角的模拟值与理论值相近.

弹性膜对部分充液罐车内液体晃动的抑制效果研究

为了提高液罐车的制动性能和侧倾稳定性极限,建立了流固耦合模型,研究了弹性膜对部分充液罐车内液体晃荡的抑制效果.进行了实验室实验,实验结果验证了数值模型的有效性.验证后的模型被进一步用于研究不同的弹性膜配置对晃荡响应的影响,如液体载荷传递、晃荡力、俯仰力矩和罐壁压强.研究中考虑了两种不同的储罐配置,即没有任何阻尼装置的储罐和具有各种弹性膜组合的储罐,以进行比较.结果表明,添加弹性膜可以显著限制液体的运动,从而显著降低由晃动引起的俯仰力矩,这将提高罐车的制动性能和侧倾稳定性极限.

电流体雾化双液滴电聚结行为研究

电流体喷印技术具有分辨率高,溶液参数适应性广等优点,是新型显示制造工艺创新突破的重要载体之一,可用于OLED微米厚度有机TFE膜高效制造。为深入探索电流体雾化技术制备微纳液膜过程,解决现阶段对液膜制备过程中各因素作用机理了解不清的问题,基于相场方法建立了液滴电聚结两相流耦合模型,分析了制备过程中“双液滴电聚结”单元。研究外加电压、基板接触角、液滴间隙和直径对液滴聚结的影响,并总结了液滴可聚结工艺参数相图。研究结果表明,外加电压越大、液滴隙径比越小,聚结后液滴高径比越大,聚结越快;基板接触角越大,聚结后高径比越大,聚结越慢,甚至可能使液滴无法聚结。在亲水基板上外加适当电压或增加液滴密度缩短液滴间隙有助于促成基板上液滴电聚结.该研究结论和工艺相图可应用与电流体雾化制膜时工艺参数调控。

基于ECT技术的低温流体相分布反演成像试验研究

本文研制了八电极ECT成像系统并开展了液氮-氮蒸气的反演成像试验,获得了与实际图像基本一致的反演图像,其中实际图像与反演的液相体积分数差≤7%,结果验证了ECT经典算法及传感器用于液氮-氮蒸汽反演成像的可行性。同时对试验过程中发现的传感器极片产生褶皱和电容测量噪声强度两个影响成像质量的因素进行数值试验分析,指出了改进反演结果的方向。

基于表面层级结构的亲水微槽道减阻特性研究

随着全球能源危机日益加剧,流动减阻研究引起众多学者注意.超疏水微槽道内表面的层级结构有助于形成气液界面,从而实现减阻,但亲水微槽道内表面层级结构的减阻特性尚不清楚.文章结合数值模拟和实验研究,对亲水微槽道内空间立柱结构(transverse post structure,TPS)、二次内凹的空间立柱结构(doubly reentrant transverse post structure,DR-TPS)和二次内凹的微脊结构(doubly reentrant surface groove structure,DR-SGS),共3种表面层级结构的减阻特性进行了研究.研究发现,当气液界面稳定时,3种结构均有一定的减阻效果,其中,TPS和DR-TPS减阻效果相似,DR-SGS减阻效果最好,减阻率最高可达11.8%.经模拟发现,TPS和DR-TPS减阻效果低于DR-SGS的原因是它们的层级结构附近存在涡结构,造成了局部增阻.此外,流速对于3种结构的减阻效果也有影响,当流速较大时,结构中的气液界面容易失稳,从而使减阻效果减弱甚至出现增阻现象,TPS,DR-TPS和DR-SGS 3种结构维持气液界面稳定的能力依次增强.

掠海导弹触水滑跳运动特性数值模拟研究

水面滑跳运动是一种飞行体在近水面运动时底部反复触水并被弹起的运动过程,该运动方式可以提高远程对海打击导弹在末端近水面无动力运动时的航程和机动能力。为研究导弹的水面滑跳运动特性,通过求解非定常Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型,结合重叠网格技术,采用VOF方法捕捉空气和水之间的自由液面变化,通过六自由度方程模拟刚体运动,对典型导弹外形水面滑跳运动过程进行模拟研究,给出并分析了导弹一次水面滑跳过程的运动参数和表面压力变化。结果表明:根据水面滑跳过程中导弹姿态和相对水面位置的变化特点,可将导弹水面滑跳运动过程分为入水前空中飞行段、第1次触水弹起段、近水面滑行段、第2次触水滑行段、滑跳出水飞行段5个阶段;第1次触水过程中,船尾段受到水面冲击被迅速弹离水面,同时使弹体低头,导弹整体仍向下朝水面运动;第2次触水过程中,导弹下表面大面积拍击水面,不仅产生较大的水面冲击力,且产生使弹体抬头的力矩,在向上冲击力和抬头力矩作用下,导弹被抬升滑跳出水面。船尾收缩段产生的抬头力矩及导弹前端触水处产生的冲击载荷共同作用使得导弹完成水面滑跳过程。

带刚性防波板罐体内液体晃动的响应分析

部分充液罐体内的液体在外部激励的作用下容易出现晃动现象,由液体晃动产生的附加力和力矩会对载液罐车产生不利影响。为了避免液罐车制动时其罐内液体产生较大幅度的晃动,提出了几种类型的防波板,并研究了防波板及其几何参数对液罐车内液体晃动的影响。首先,建立了基于有限体积法的液体晃动的数值模型。其次,对液体晃动现象进行了一系列的实验,通过将实验获得的液面波形与同等条件下数值模拟获得的结果进行对比,验证数值模型的有效性。最后,将验证后的数值模型用于分析防波板的几何参数对液体晃动响应的影响。研究结果表明,开孔防波板不仅可以有效降低罐内晃动响应参数的峰值,还可以明显缩短罐内晃动液体达到稳定的时间;防波板的开孔位置和孔的数量在车辆制动过程中对罐体内液体晃动引起的纵向力的峰值影响差别不大,但是对液体晃动引起的俯仰力矩的峰值的影响比较明显;晃动响应参数峰值的下降率会随着充液高度的增加呈先下降后上升的趋势,液体晃动引起的俯仰力矩的峰值取得最大值时,防波板对罐体内的液体晃动的抑制效果最差。