基于分子模拟方法的纳米气泡溃灭过程分析

采用分子动力学模拟方法研究纳米气泡逐渐凹陷并发展至溃灭的过程,本文主要研究冲击速度和气泡尺寸对纳米气泡溃灭的动力学特性影响机制.结果表明:纳米气泡溃灭大体上经历三个阶段.首先是气泡外侧水分子压缩阶段,然后是冲击波导致液膜稳定结构被破坏阶段,最终发展至气泡完全溃灭阶段;在冲击速度较大时,较小尺寸气泡在更强的冲击效果作用下,气泡溃灭时间更短;纳米气泡溃灭后高速射流后在速度等高线右端形成凸起,随着气泡尺寸和冲击速度增大,凸起程度就越大,水分子向气泡中心汇集,在气泡上方和下方形成涡旋结构,有效的增强了流体内部传质作用;随着气泡尺寸和冲击速度的增大,气泡周围密度也逐渐增大,气泡完全时溃灭时局部密度可达1.5 g/cm^(3)附近;当气泡体系衰减至一半时,出现水锤冲击效应,随着气泡尺寸和冲击速度的增大,水锤冲击作用愈发明显,对于u_(p)=3.0 km/s,D=10 nm的纳米气泡结构塌陷后射流水锤冲击所形成的局部压强可达30 GPa.

三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题,本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群,利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法,建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型,数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性,得到了工件表面气泡溃灭的分布规律,并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明,通入微尺度气泡群后,平均速度从12.50~13.50m/s提升至15.00~17.00m/s,最高平均速度可达20.00m/s以上。对比加工实验显示,经8h加工后,粗糙度从0.50μm降低到0.05μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。

单个蒸汽气泡溃灭过程的边壁效应数值研究

采用数值模拟的手段,耦合流体体积(VOF)多相流模型和自然空泡模型,通过改变单个蒸汽气泡距竖直固壁和水面的距离,计算了这2类边壁共同作用下的溃灭过程.在溃灭的前期,气泡外形主要受水面边壁影响,呈远离水面向内凹陷的趋势;在溃灭的后期,固壁的影响凸显,凹陷的方向逐渐指向固壁.当气泡离固壁越近,溃灭时间越长;当气泡离水面越近时,溃灭时间越短.对固壁上的压力峰值,气泡距竖直固壁的距离起决定作用.

激光空化气泡溃灭对SAP弹性小球的作用

空化气泡溃灭时对附近弹性小球的作用研究具有重要的学术价值和实际意义。采用实验方法研究了超吸水聚合物(SAP)弹性小球附近激光空化气泡的膨胀和溃灭过程,利用扩束-聚焦后的激光在去离子水中产生单个空化气泡,通过精密位移平台精确控制空化气泡发生位置,采用高速相机获取气泡膨胀和溃灭以及弹性小球的动态变形过程,进而基于弹性小球的变形,采用数值方法获得作用在弹性小球上的挤压作用力。研究发现,弹性小球附近空化气泡存在多次膨胀和溃灭现象,其中一次膨胀和溃灭持续时间最长,对弹性小球的挤压和拉扯作用最明显。在气泡膨胀阶段,弹性小球受到膨胀气泡的面挤压所用;在气泡溃灭阶段,弹性小球受到溃灭气泡的点拉扯作用。相关研究结果对于探究超声靶向微泡破坏技术中细胞膜的通透性增加机理等现象有较好的参考作用。

水中气泡溃灭的理论与数值研究

从理论和数值两个方面研究了单个气泡在自由流场中的溃灭。采用Rayleigh方程推导出一个新的球形气泡演变的解析解。基于流体体积法(VOF),在考虑表面张力、粘度和可压缩性效应的情况下,对单个纯气体泡的运动进行了三维模拟。在第一次溃灭阶段,气泡体积演变的数值结果与解析解保持一致。数值结果表明气泡体积到达最小值后开始回弹,气泡的形状、速度场和压力场在回弹点附近发生剧烈变化。

表面张力对固壁近旁空化气泡溃灭特性的影响

导出了考虑表面张力影响下模拟固壁附近溃灭空化气泡特性的边界积分方法及数值求解方法.首次在本研究领域采用ENO插值方法进行网格重分,而无须对每点计算结果进行人为光滑化就能模拟气泡的大变形.对算法各个环节的分析及比较结果说明本数值方法和程序是正确的.数值模拟结果显示,表面张力对固壁附近小空化气泡溃灭特性的影响是非常显著的.

微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究

球形微马达的气泡自驱动实验揭示了微尺度气泡与邻近微球存在着强烈的相互作用,并驱动微球快速运动,但受限于条件,实验无法给出二者相互作用的关键力学因素。为研究这一问题,将微气泡的生长与溃灭类比于虚拟壁面的膨胀与收缩,采用有限元分析法模拟研究了这一瞬态流动。结果表明,微气泡生长与溃灭不具备微尺度流动的可逆性,高速溃灭会使得雷诺数Re显著增大,引入的惯性力驱使邻近微马达产生净位移。这一研究给出了利用气泡动力学打破微尺度游动扇贝定理的新力学机制,并对Janus微马达气泡高效驱动的现象进行了合理解释。

气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究

本文通过Pt-SiO_2型(铂-二氧化硅型)中空Janus微球在低浓度2%~4%H_2O_2溶液中的气泡驱动实验,观察到在每个气泡生长-溃灭周期内,Janus微球的运动呈现3个特征阶段,分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米,比前2个阶段的平均速度大2~3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在Rb^t1/3和Rb^t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面(Pt侧)的生长点偏离对称轴位置,Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H_2O_2溶液浓度的增加,还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性,而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。

蒸汽管道气液两相流冲蚀研究

针对电厂加热器水位控制系统信号管存在的气液两相流对管道的冲蚀现象,采用壁厚测定、有限元仿真、冲蚀形貌SEM分析、腐蚀产物EDS、XRD等分析测试方法进行研究,以期为后续科研和工业生产提供借鉴。

烷基化装置凝结水管道水击及腐蚀原因分析与对策

某石化公司烷基化装置开工后蒸汽凝结水回收工段存在水击、高压凝结水管道腐蚀穿孔的现象,影响了装置运行。分析凝结水管道水击以及腐蚀原因为气泡溃灭冲击与两相流冲刷腐蚀叠加。通过操作调整与技术改造,消除了水击与腐蚀,并提出了蒸汽凝结水回收工段的改进措施:在进闪蒸罐前设置贴壁阀与压力表;脱芳烃塔再沸器敷设单独凝结水管道,两股2.2 MPa凝结水由管廊汇合改为闪蒸罐前汇合,并在末端各自设置了阀门与压力表;脱轻烃塔再沸器敷设单独凝结水管道,两股0.45 MPa凝结水由管廊汇合改为排放罐前汇合,并在末端各自设置阀门与压力表。

气-液-固三相磨粒流旋流流场分析及加工实验研究

针对现有流体加工方法中加工效率低、易出现工件表面各区域加工纹理不均匀的问题,提出一种气-液-固三相磨粒流抛光加工新方法.基于Realizable k-ε湍流模型和Mixture模型,建立气-液-固三相磨粒流抛光加工数值模拟模型.数值模拟结果揭示了气-液-固三相磨粒流形成的高速湍流涡旋流场动力学特性,同时也发现了磨粒流流场中磨粒和微气泡的运动及分布规律,得到较优适用于气-液-固三相磨粒流抛光加工磨粒流入射角度设计参数,并设计出实验抛光工具.经过1h的实验加工后,与无微气泡条件的液固两相流抛光加工对比,气-液-固三相磨粒流抛光加工的工件表面相同区域的粗糙度值更低,纹理也更为均匀.上述研究结果表明:气-液-固三相磨粒流的流场特性提高了磨粒和微气泡运动的无序性及微气泡溃灭的概率,且磨粒流中的微气泡溃灭所释放的能量提高了磨粒的抛光加工效率.

二维振荡超空化水翼水动力性能分析

该文以ys 930超空化水翼和NACA 65410水翼作为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型、Zwart-Gerber-Belamri空化模型以及动网格技术,对比两种翼型在俯仰、升沉以及俯仰升沉复合运动情况下的水动力性能。结果表明:运动幅值的增加会使得升力系数和阻力系数曲线峰值明显提高;水翼在俯仰和复合运动情况下的升力系数和阻力系数会产生明显的尖峰,而尖峰主要是由下翼面气泡溃灭造成的。为进一步研究两种翼型的水动力性能,将升力系数和阻力系数的平均值和方差进行对比分析。结果表明:在升沉运动中,ys 930水翼的升阻力系数平均值始终高于NACA 65410水翼;但在俯仰和复合运动中,运动幅值的提高会使得NACN 65410水翼的升阻力系数平均值高于ys 930水翼;在三种运动模式下,ys 930水翼升阻力系数的方差较大,稳定性较低。从升阻比来看:ys930水翼在升沉运动中可以获得较高升阻比;但在复合运动情况下,随着俯仰角度的增加,NACA 65410的水动力性能明显提高。