基于气泡统一方程的声场双气泡耦合作用研究

针对声致空化现象中双气泡相互作用力展开了研究。本文基于气泡动力学的基本理论,将气泡统一方程应用到声场中双气泡的耦合作用研究中,建立了可用于计算声场中多气泡耦合的理论模型,并以此研究了不同类型的声场中双气泡次Bjerknes力的变化趋势。研究结果表明:在声压幅值较小的行进波声场中,对于非线性脉动的双气泡,其相互作用现象不仅与声场参数相关,还会受到双气泡初始体积比的影响。若固定其中一个气泡的初始体积,同时改变另一个气泡的初始体积,则双气泡间第1周期内的次Bjerknes力会在初始体积相等时达到第1个极值,随后呈现周期性的起伏,并在总体上呈增大趋势;而双气泡相互作用在声压幅值较大的行进波声场中会随初始半径比的增大持续增强,且周期性的起伏现象并不明显。在驻波声场中靠近波节的位置也能观测到这一现象。此外,本文还探究了非线性振动的双气泡在具有相同频率、不同声压幅值的组合波声场中的耦合效应。本文的研究可为声场中双气泡相互耦合作用以及气泡群动力学相关应用提供理论基础。

体相微马达双气泡聚并驱动的界面演化机制

微纳米马达是建立微流体环境与宏观操控的桥梁,气泡微马达的驱动速度高,这一优势在实际应用中不可替代.管式气泡马达适用于复杂场景但能量转化率低,气泡驱动的Janus微球马达效率高但仅适用于气液界面附近.鉴于此,本文提出通过双气泡聚并方式驱动Janus微球马达的新体系,调和了高能量转化率与界面受限的矛盾.在实验中,借助高速摄像记录了双气泡聚并驱动微马达的~100μs级过程,气泡聚并紧邻微球发生,通过释放的能量驱动微球显著运动,其融合过程是独特的可动曲壁受限下的气液界面演化问题.进一步结合伪势格子Boltzmann数值方法探究了气泡聚并驱动的流体动力学机制.研究结果揭示了不同时段气泡聚并的细节,给出了气泡颗粒尺寸比等因素对微球位移、初始动能转换率的影响,确认了双气泡聚并释放表面能的高效驱动机制.

超声作用下刚性壁面附近的双气泡脉动

在实际应用时,空化泡可能位于刚性壁附近。对刚性壁附近的空化泡脉动进行研究有利于更好地利用声空化。文章研究了刚性壁附近双气泡的动力学规律。研究结果表明,当两气泡与刚性壁距离相同时,气泡与壁之间的距离越大,刚性壁对辐射声波的反射越小,气泡脉动时能够达到的最大半径与最小半径的比值(即压缩比)也越大。若改变单个气泡与刚性壁的距离,则当两个气泡距离接近时,位置固定的气泡压缩比会减小。增大单个气泡的平衡半径,会使得两气泡脉动时的压缩比变小。此外,文章还对两气泡间距固定情况下,气泡压缩比与两气泡中心连线和壁面所成夹角之间的关系进行了讨论。

双气泡振子系统的非线性声响应特性分析

对初始半径不同的双气泡振子系统在声波作用下的共振行为和声响应特征进行了分析.利用微扰法分析了双泡系统的非线性共振频率,由于气泡间耦合振动的非线性影响,双泡系统存在双非线性共振频率.倍频共振和分频共振现象的存在使得双泡系统振幅-频率响应曲线有多共振峰,且随着非线性增强,共振区向低频区移动.通过对气泡平衡半径、双泡平衡半径比以及气泡间距的分析发现,耦合作用较强的情形发生在系统共振频率附近、气泡半径比接近1以及气泡间距小于10R10的范围内,同时观察到了此消彼长的现象,充分体现了气泡在声场中能量转换器的特征.

尾流中双气泡声学特性的有限元分析

舰船尾流的声学特性是尾流的主要特性之一,而气泡是形成尾流声学特性的主要原因。通过对尾流单个气泡的主动声学特性分析,建立了气泡的弹性球壳主动声反射/散射特性模型。结合对不同半径气泡声学特性及气泡在尾流中分布的分析,建立了双气泡的结构模型。通过有限元分析模型在周期载荷作用下位移随频率的变化,得到气泡的谐振频率,计算双气泡在主动入射声源作用下的场点分布,得到双气泡的主动声反射/散射特性。

双气泡聚并的动力学规律研究及三维可视化模拟

对双气泡聚并过程的动力学规律进行了分析与研究,并对其进行了三维可视化模拟。首先根据动力学规律建立了双气泡聚并的动态特征数值模型,并对该模型进行数值求解与分析。采用MATLAB进行了数值模拟,另用Level Set方法对两气泡聚并的演化过程进行了三维可视化模拟,均获得了满意的结果。

一种考虑时延的双气泡耦合振荡模型

基于单气泡Keller-Miksis振荡方程,在考虑时延的情况下,建立了一种双气泡耦合振荡计算模型。该模型将气泡振荡的周期分成若干份,初始扰动引起第一个气泡的半径在极短时间内变化而产生振荡并辐射声压,声压在传播一定时间后作用到第二个气泡,第二个气泡同样在短时间内做耦合振荡并反馈到第一个气泡,然后重复此过程。利用数值仿真在此模型的基础上分别研究了气泡振幅、半径、间距等参数对耦合振荡的影响。结果表明:初始扰动越大、两个气泡半径越接近,气泡耦合效应越明显;初始半径和平衡半径较大的气泡对耦合振荡有显著影响,振荡的频率向低频移动;气泡间距越大,耦合效应越弱;在某个特定距离处,气泡耦合效应的阻尼会异常减小或者增大。

基于界面追踪法的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟

多气泡运动在各个工程领域广泛存在。为更好的研究不同形状的多气泡上升过程,采用界面追踪法(front tracking method,FTM)对四种具有不同初始形状的双气泡上升情形进行二维数值模拟。模拟结果表明,两竖直分布的气泡上升时,上部气泡的尾流会使下部气泡的速度更快;气泡的初始形状对气泡上升的速度和变形都有影响,圆形气泡相较于椭圆形气泡,上升速度更小;下部气泡为椭圆形时,上部气泡的变形更大。

大密度比双气泡在孔板结构微通道内上升行为的格子Boltzmann方法模拟

基于格子Boltzmann两相流大密度比模型模拟了孔板结构微通道内双气泡在浮力作用下的上升过程,主要研究E?tv?s数(Eo)、气泡相对大小、气泡之间的距离以及气泡和孔板间的距离对气泡变形、合并的动力学行为以及气泡上升速度和气泡剩余质量的运动特性的影响。研究发现,随着Eo数的增大,气泡在通过孔板通道时形变越严重,表现为上部气泡和下部气泡在合并过程中所夹带的液泡数量和质量同时增加,且气泡在通过通道的过程中会发生多次接触、合并与破裂;数值结果还表明,随着Eo数的增大,气泡达到顶端的时间增加而气泡穿过孔板的质量减小。另一方面,当上方气泡的尺寸大于下方气泡的尺寸时,两气泡在合并的过程中夹带的液泡数量更少,气泡穿过孔板时更迟缓但能够穿过孔板的气泡质量增多。此外,对于不同的气泡间距离和不同的气泡与孔板之间的距离,发现上下气泡之间的距离过大或者过小时,在气泡的合并过程中都不容易夹带液泡,且气泡穿过孔板的质量随着两气泡之间距离以及上方气泡与孔板之间距离的减小而增加。

思维可视化工具“双气泡图”在小学古诗词教学中的应用——以《示儿》《题临安邸》教学为例

双气泡图是一种思维可视化图式工具,将其运用到古诗词教学中,可直观呈现学生阅读理解文本的思维过程。以统编版小学语文五年级上册第四单元《示儿》《题临安邸》两首诗为例,从自主预习、解读比较、梳理总结三个层次,逐步完善双气泡图,以培养学生对古诗词的诵读、理解和品鉴能力,提升学生的思维品质。

运用“流程图”和“双气泡图”促进小学生数学学习“达标+成长”

在现代教育学科信息网络发达的今天,学生对新学期所学习的内容并不是完全陌生、不熟悉的.北京语言大学谢小庆教授在《创新学习新思维》中也明确指出:对于新学期开始前已经掌握所学知识的许多儿童而言,一个学期的课堂学习,对于这些儿童的增值效应是很有限的.那在这样的状况下,学生通过一堂课的学习应该在哪些方面有所“成长”呢?《义务教育课程标准》强调:数学对人的发展方面的重要作用的核心是更应该关注每一名学生的思维能力的进步和发展.教师应运用“流程图”和“双气泡图”促进小学生数学学习“达标+成长”的教学目的的达成.

双气泡图在中职妇产科护理疾病鉴别中的应用

目的探讨双气泡图在中职妇产科护理疾病鉴别中的应用效果和可行性。方法将我校2019级五年制护理专业中专阶段的两个教学班共115名学生分为对照组(n=57)和实验组(n=58)。在实验组课堂教学中应用双气泡图,对照组实施传统教学模式。学期结束比较两组学生的理论成绩和教学效果问卷调查结果。结果理论考试成绩中实验组为(62.04±2.96)分,对照组为(57.85±3.13)分(t=5.265,P<0.01)。问卷调查结果显示,实验组对激发学习兴趣、增强学习主动性、活跃课堂气氛、提高问题分析及解决问题能力、愿意接受此种教学模式、有助于对疾病的鉴别、提高对知识的总结概括能力的认可度较高且人数显著多于对照组。结论将双气泡图应用于妇产科护理疾病鉴别教学中,提高了学生分析问题及解决问题能力,激发了学生的学习兴趣,值得在教学中推广。

格子玻尔兹曼方法模拟气泡泵提升管内双气泡运动

应用改进的格子玻尔兹曼自由能模型,对大密度比的溴化锂溶液中不同初始位置和不同大小的双气泡运动进行模拟,获得其密度场与速度矢量分布及其运动规律:大小相同、水平距离一定的双气泡在上升过程中出现先靠近再分离的两个阶段,与初始相对高度无关;大小不同的两气泡在上升过程中可能发生融合或分离,这主要取决于小气泡靠近大气泡时所在大气泡尾迹区的位置,若大小气泡融合,则融合后的气泡速度减小.

声场中双空化气泡之间的相互作用及气泡动力学研究

从双气泡耦合振动方程出发研究了强声场中一对初始半径与气泡间距相当的气泡对的耦合振动及气泡之间相互作用的特征.研究结果表明:具有此类特征的气泡之间的相互作用力能够增加气泡能量转换的能力,耦合气泡的非线性振动强弱取决于驱动声压振幅、驱动频率和气泡对的初始半径,在一定的声场频率范围内,此类气泡之间的相互作用均表现为相互吸引.

双爆源气泡与水面相互作用的实验

为研究双爆源气泡与水面的相互作用过程,开展了水箱内水下爆炸实验,采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态变化过程,分析了双爆源气泡和水幕运动的关联,对比了同药量、同比例深度下单双爆源气泡及水幕的差异.研究结果表明:双爆源气泡先后经历单气泡膨胀及相互融合,融合气泡膨胀、收缩-溃灭等阶段,水幕经历"水冢、水柱和水射流"3种形态的变化;双爆源融合气泡横向最大半径较单爆源气泡增大8.7%,膨胀至最大半径的时间基本一致;双爆源炸形成的水幕呈幂指数增高,炸药起爆40 ms后,相同时刻双爆源水幕比单爆源高10%以上.

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.

双泡耦合声空化动力学过程模拟

为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟,本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发,在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型,对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟,并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性.结果显示:在超声波驱动下,球形气泡先缓慢扩张,扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭;耦合双气泡间存在相互作用力,使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长;空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强,相比单气泡声空化,耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大.本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.

基于新型轴对称无网格方法的水下爆炸冲击波和气泡运动数值模拟

采用无网格光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)方法,结合粒子体积自适应技术(volume adaptive scheme, VAS)构建高精度、高效率的新型轴对称SPH模型,实现水下爆炸冲击波和气泡运动模拟。在冲击波传播阶段,通过与经验公式及文献理论值对比,验证了该轴对称SPH模型的精度。针对气泡脉动模拟,选取典型的双气泡耦合问题,分析气泡形态和压力载荷的力学特性,讨论了两气泡之间的距离参数对气泡相互作用过程的影响。结果表明,该新型轴对称SPH模型可实现水下爆炸过程压力载荷和气泡形态演化的精确预报。

交错气泡运动特性数值模拟研究

为了进一步探讨交错气泡运动形变特征及运动过程,采用Open FOAM开源计算流体力学软件,利用VOF方法,对三维两气泡在不同间距及偏移距离时的上升运动行为进行模拟,研究气泡间距及偏移距离对流场、速度场及气泡形态等的影响。结果表明:在两气泡运动至聚并为一个气泡前,两气泡两侧存在4个大小不一的旋涡,下气泡左侧旋涡影响范围较小;两气泡聚并为一个气泡后,该一个气泡两侧形成2个大旋涡并随着偏移距离增大,左侧旋涡影响的范围也越大。两气泡的间距及偏移距离影响着气泡上升及聚并过程中的气泡形态。气泡间距一定时,下方气泡偏移距离越大,两个气泡顶部速度增幅越小。

网格和数值格式对TBPBM-CFD模型模拟鼓泡塔的影响

基于气泡动力学属性的现有认识,把气泡分成大、小气泡,首次建立了完整的双气泡相-群平衡模型(TBPBM)以预测气泡尺寸。通过编写用户自定义程序实现了TBPBM模型、Luo破碎模型以及Prince聚并模型,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对直径440mm鼓泡塔进行数值模拟,详细考察了网格与数值格式对TBPBM-CFD模型模拟结果的影响。结果表明,网格与数值格式对各物理变量的模拟结果影响非常大,特别是网格和体积分数方程对流项离散格式的影响最为显著。随着计算精度的提高,湍流耗散率和整体气含率分布梯度增大,气泡平均直径减少,大气泡所占气相比率降低,液相速度及气含率径向分布与实验值更趋吻合。