镜象气泡变形过程的模拟研究

气泡在作轻微运动的平面附近变形,它的镜象气泡起的作用是让边界静止,流体源的作用可用来解释刚性板的影响。数值模拟的结果表明:如果板边界朝气泡运动,气泡变形较快;如果板边界作离开气泡的运动,气泡变形较缓慢。

电场中气泡在换热表面上的变形及对沸腾换热影响

从电场分布的角度,研究了换热表面上气泡在电场力作用下的变形规律和气泡变形影响EHD(electrohydrodynamics)强化沸腾换热的机理. 电场分布决定了气泡在电场力作用下的变形方式,如果换热表面的电场强度高于周围液体或电极的电场强度,则气泡受拉伸作用;反之,气泡受压制作用. 热边界层的存在会减小电场力对气泡的拉伸作用,增强电场力对气泡的压制作用,但不会改变气泡的变形方式. 气泡在换热表面上无论是被拉伸还是被压制,都能使沸腾换热得到强化,但两者的强化换热机理不同.

浮力作用下上升气泡的变形和驻涡形成机理研究

采用直接模拟方法,研究气泡在浮力作用下的变形机理及气泡尾部驻涡形成机理。用二阶时空精度的变密度投影方法解Navier-Stokes方程,用VOF(volume of fluid)方法捕捉界面。获得了气泡平衡时的上升速度,并探讨气泡内部环流和气泡尾部驻涡间的关系。

液-固流化床中单个变形气泡的上升速度

以气泡在上升运动过程中的受力分析为基础 ,建立了描述单个变形气泡在液 -固流化床中上升速度的理论模型。应用该模型分别对球形和球帽形气泡在液 -固流化床中的上升速度进行了计算 ,并将计算结果与在不同的床内压力、温度与颗粒相体积分数下气泡上升速度的实验测量数据进行了比较。

稀疏泡状流中变形气泡的三维图像测量技术

研究气泡变形对于分析泡状流中气泡的受力和运动具有重要意义。设计了一种可确定稀疏泡状流中气泡空间坐标与变形参数的图像测量技术:原始图像经预处理和增强后,结合形态学方法识别出变形气泡投影的闭合轮廓。改进了分水岭方法对气泡投影进行分割,并用对称直线法确定投影中心改进Hough变换,得到椭球气泡模型的投影椭圆参数。提出了一种由两幅投影轮廓重构三维气泡模型的算法并分析了实验误差。该技术可较准确地测得气泡空间坐标和变形参数:投影椭圆的参数误差小于3个像素,气泡识别误差小于15%。

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。

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。

基于高速摄影测量气泡体积的图像处理技术研究

为获得鼓泡过滤装置内尺寸较大且存在明显变形的气泡的体积,介绍了4种图像处理气泡体积的方法:等效直径法、椭球体积公式法、水平切片法和自适应切片法。分析每种方法的基本思想和使用条件,并利用这些方法计算出气泡的体积。同时,采用气泡收集法对气泡体积进行实验测量,将4种图像处理技术计算出的气泡体积与实验测量值进行对比,来评价各种方法的准确性。结果表明:等效直径法和椭球体积公式法因需要获取表述气泡整体几何特征的参数来计算气泡体积,因此当气泡变形严重时,特征参数会发生较大变化进而整体处理精度受影响较大;水平切片法对椭球形气泡具有高精度的处理结果,但当气泡对称轴发生偏转或气泡形状为碟形时,处理精度明显变差;自适应切片法能根据圆形度来识别气泡形状,同时,针对不同的气泡形状,以对称轴为参考来确定合适的切片方向,具有很强的适用性和较高的计算精度。

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4~6.9m^3/h范围内,对应最大旋转速度可达900~3000rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。

初始尺寸对气泡在水中的几何和运动特征的影响（英文）

为了探究和描述气泡尺寸对气泡的几何形态及运动学特征的影响,使用6种不同直径的喷嘴采用向水中通气的方法产生了不同尺寸的气泡,采用高速摄像系统对气泡图像进行采集,并结合专门开发的软件分析了气泡发展过程中的形状、运动轨迹和速度的变化。实验过程中获得的气泡尺寸范围为0.25～8.69 mm。结果表明,气泡脱离喷嘴后,气泡形态依次经由椭球形、球帽形、蘑菇形,最终转变为稳定的椭球形。随着气泡尺寸的增大,气泡表面的波动加剧。在气泡运动的稳定阶段,气泡的轨迹可近似用正弦曲线来描述。同时,随着气泡尺寸的增大,气泡轨迹有被拉直的趋势,横向分速度对气泡轨迹的影响减弱。研究结果解释了与大尺寸气泡相关的现象,拓展了已发表的气泡终速度与气泡当量直径之间的关系。

用单元胞模型数值模拟气泡群中气泡的运动

用数值方法模拟了气泡群中Reynolds数为50的气泡的运动,以单元胞模型体现气泡群中气泡间的相互作用。数学模型用完全的流体力学方程、以流函数-涡度为变量来描述变形气泡周围的液体流动,控制方程在贴体正交坐标系中、以有限差分法离散后数值求解。模拟结果表明,气含率对气泡阻力系数和气泡偏心率有很大的影响,与理论分析较符合。但单元胞模型预测的阻力系数与基于爬流中球形气泡的理论值相比,在数值上偏高很多。采用无剪切为外边界条件比用无涡度为外边界条件的模型预测更接近理论公式。预计单元胞模型经进一步改进后可成为处理气泡群的有效工具。

基于气液两相流数据凝聚层次聚类的气泡形态重构（英文）

气泡形态对气液两相流中的传热、传质等动力学过程的影响重大,基于计算流体力学(CFD)的流动模拟结果中包含有此类信息。为了提取该信息,提出一种改进的凝聚层次聚类算法,并据此构建了气泡形态重构方法。该方法具有三个重要特征:1)聚类阈值自适应调整,适用于离散尺度不均一的两相流数据;2)空间软分割,降低了算法的计算复杂度;3)纯气相单元、混合相单元分步聚类的执行策略,可以准确识别和重构识毗邻的气泡/气泡群。基于两组预定义的两相流数据和一组基于CFD 的两相流模拟数据,展示了所提出方法的实现过程并对相关功能进行了测试。测试结果表明,提出的方法易于实现,需要人为设置的参数少,即使在离散网格尺度不均一、部分网格单元有一定扭曲的条件下,仍可高效地识别气液和重构两相流中的气体的聚集形态(气泡/气泡群)。

水基微泡沫钻井液防漏堵漏原理研究

依据低密度和气泡变形堵塞理论,分析了微泡沫钻井液的防漏堵漏原理.采用砂石充填的模拟漏层实验方法,研究了无粘土相微泡沫钻井液防漏堵漏作用效果,结果表明,微泡沫钻井液对80～120目砂石构成的孔隙通道具有最好的堵漏效果,对40～80目砂石构成的孔隙通道具有良好堵漏效果,对10～40目砂石构成的孔隙通道具有一定的堵漏效果,而且,随着压力增加,微泡沫钻井液仍具有堵漏承压能力.

在垂直环形窄缝流道中的沸腾传热特性研究

为了弄清在窄缝环形流道中气泡的形成、聚合和变形的特性 ,以及气泡在聚合变形之后对传热特性的影响 ,在常压下用蒸馏水对窄缝间隙为 0 75mm的垂直环形流道 ,进行了可视化的流动沸腾传热实验研究 ;实验段的有效加热长度为 90 0mm ,其加热方式为单面内侧加热 ,实验的流量变化范围为 1 667× 1 0 - 5m3/s至 5 833× 1 0 - 5m3/s。实验得到了在不同质量流密度和热流密度下窄缝流道中的沸腾传热系数随干度变化的分布。通过与常规流道中的沸腾传热系数的比较 ,得到了在窄缝环形流道中沸腾传热系数比常规流道中的沸腾传热系数约高 1 5 %的结论。另外通过用高速摄像机对可视化的垂直环形流道中的流型进行的拍摄研究 。

中低Reynolds数泡状流变形气泡升力的实验研究

为研究气泡变形对泡状流中气泡升力的影响,基于Mei给出的球形颗粒升力公式,根据竖直圆管Poiseuille流场中气泡(颗粒)所受升力与壁面力平衡的原理,通过实验研究了竖直圆管Poiseuille流场中在14.2<Re<68.0、0.76<Eo<5.45、0.01<Ca<0.19条件下气泡和轻颗粒的运动,并进行了对比分析。得到相同条件下等当量直径的气泡和颗粒所受升力之比,进而获得了气泡的升力经验关系式。该关系式能够准确描述高粘度液体中变形气泡的升力,但描述负升力和低粘度液体中气泡升力的准确性还有待进一步验证。