基于VOF方法的可调参数对气泡聚并过程计算精度与成本的影响

气泡聚并通过改变气液两相间界面面积,影响相间的传热和传质,而聚并时间和液膜厚度是描述2个气泡聚并过程的重要物理参数。采用流体体积(VOF)方法对气泡聚并过程进行数值模拟时,合理设置计算流程中可调参数(例如网格尺寸、最大库朗数以及方程循环次数等),有助于提高求解过程的收敛性、节省计算时间。因此,本文基于OpenFOAM开源软件,采用VOF方法与自适应网格相结合的方法,以同轴两气泡聚并过程为例,探究最大库朗数Co_(max)、相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)这3个参数对气泡聚并过程数值模拟的计算量与计算精度的影响,同时,得到气泡间液膜厚度在可调参数不同取值时随时间的变化规律。研究结果表明:气泡间液膜的变薄速度与最大库朗数Co_(max)成反比,与相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)成正比,这主要是由于减小最大库朗数Co_(max)以及增大相方程循环次数nα和控制方程循环次数n_(pimple)提高了计算精度,改善了流体在网格单元上移动滞后的现象,加快了两气泡聚并以及液膜减薄过程;综合考虑计算精度与计算成本,得到了基于VOF方法的气泡聚并数值模拟较优的可调参数组合,即(Co_(max),nα,n_(pimple))=(0.05,3,8)。

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.

基于相场法对非牛顿流体中气泡聚并行为特性的仿真分析

气液两相流因稳定性好被广泛应用于化工生产的各个领域,其中气泡的聚并行为对气泡的大小、形状及运动有显著影响,这些参数直接影响如生物反应器、鼓泡塔等化工设备的相间传质传热过程和工艺性能。使用相场法通过仿真软件对非牛顿流体中的气泡聚并行为进行讨论,分别以气泡在对称分布、偏左分布或偏右分布三种相对位置情况下从竖直气泡、水平气泡和随机气泡三个方面分析对比了气泡的位置和分布对其聚并行为的影响。结果表明,在非牛顿流体中,气泡的相对距离和流体的流动特性都是气泡聚并能否发生的关键因素,它们在气泡处于不同的分布情况下表现出不同的作用规律;另外气泡在不同分布的情况下,其运动规律也表现为不同的特点。

基于大涡模拟方法和修正的气泡平衡方程的舰船尾流气泡聚并研究

基于大涡模拟方法（LES）和经专门修正的气泡群平衡方程（D-BPBE）,对舰船尾流中普遍存在的气泡聚并现象进行了数值模拟研究.结果表明：气泡聚并对尾流总气泡数密度的分布（BND）影响不大,但却是影响尾流气含量分布的主要因素;其原因在于气泡聚并主要发生于有大尺寸气泡参与的情形.虽然从数密度而言,大尺寸（500-1 000μm）气泡相对尾流总气泡的比例较小,但它是尾流中气含量的主要载体,因而往往直接决定着气含量沿尾流流向的分布特征.研究同时表明了气含量的分布特征为,近尾流区（约1.8 km内）近似以乘幂形式衰减,远尾流区以线性格式衰减.结论弥补了当前针对舰船尾流的研究一直不能明确气泡聚并在尾流气泡分布中的作用这一根本缺陷.

基于COMSOL的气泡聚并行为仿真研究

气泡聚并不仅对气液、气液固流化床中的气泡运动速度和形状有重要影响,而且对相间传质过程有着重要意义。利用多物理场耦合数值计算软件COMSOL Multiphysics对气泡聚并行为进行了仿真研究,从共轴气泡、平行气泡和随机气泡三个方面分析了相对位置对气泡聚并的影响。结果表明,两共轴气泡之间垂向距离较小时,会形成追赶效应,下气泡上升速度大于上气泡,最终形成聚并。两水平气泡距离较近时才有可能发生聚并,当水平距离较大时,两气泡最终以螺旋交替的形式上升,无法发生聚并。随机气泡聚并受水平距离影响较大,相比而言水平距离较小时更容易发生聚并。

表面粘度对小气泡聚并的影响

对2个小气泡间的聚并过程进行了动力学分析,着重考虑界面粘度的影响,得到气泡聚并所需时间与气泡直径、流体主体和界面性质的关系。

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。

加压溶气气浮气含率分布与气泡聚并规律研究

加压溶气气浮技术是污水除油中常用的高效工艺,气泡的大小和分布对除油效率的影响至关重要。基于相群平衡模型,对溶气气浮器内两相流动及气泡聚并进行数值模拟,并进行实验研究加以验证,建立了气浮器接触区模型,研究了气泡聚并及气含率分布规律,分析了释放头不同气液比和接触区高度对气含率分布和气泡聚并情况的影响。结果表明:接触区气含率随气液比增大而升高,随接触区高度的增加而降低,气泡在上浮过程中会发生聚并使得气泡变大,稳定性变差,同时加快上浮速度,会影响接触区的气含率分布。通过微观模拟发现大粒径微气泡在上浮过程中更容易发生聚并,小粒径微气泡则由于表面张力作用稳定性更强,不易发生变形和聚并。研究结果为溶气气浮气液比的选择和浮选过程气含率和气泡分布的研究提供参考。

全浓度范围下醇类表面活性剂对气泡聚并影响的实验研究

通过实验测量不同醇类表面活性剂在全浓度范围下的气泡聚并时间,进而研究表面活性剂种类及其浓度对气泡聚并的影响。结果表明,加入醇类表面活性剂后,相比于纯液体体系,气泡聚并受到明显抑制,液膜更加稳定,气泡聚并时间延长。低浓度范围内,气泡聚并时间随着表面活性剂浓度的升高显著增长,而在高浓度范围内,气泡聚并时间随着浓度的升高显著缩短。醇类表面活性剂对气泡聚并的抑制作用存在临界浓度。实验测得异丙醇和乙醇对气泡聚并抑制作用最强时对应的临界摩尔分数,分别为0.0030和0.0096。此外,对比不同醇对气泡聚并的抑制作用,发现长碳链醇由于更强空间力而具有更强的抑制气泡聚并能力。最后根据Andrew模型分析表明,表面张力梯度是体现表面活性剂抑制气泡聚并能力的主要因素之一。

单液膜气泡聚并和连接过程的移动粒子半隐式法数值模拟

为了研究单液膜气泡单层液膜包裹气体的特殊结构形式和内外壁面均受气液表面张力的特殊力学形式,在拉格朗日框架下采用无网格移动粒子半隐式法并基于表面自由能表面张力模型,建立了单液膜双气液界面表面张力模型,从而实现了单液膜气泡振荡变形过程中的复杂界面计算和捕捉。在此基础上对2个单液膜气泡的聚并和连接过程进行了模拟分析,获得了典型的流动现象和液膜变形特征与规律,发现减小表面张力系数或增大黏性系数均会减弱气泡变形过程中表面张力项的变形主导作用。为此,提出了凹点切线法用于计算连接型气泡的液膜夹角,明晰了连接型气泡的形状。计算结果可为工业消泡技术提供一定的理论依据。

基于LBM的气泡聚并研究

针对伪势模型产生虚速度大,自由能模型不满足伽俐略不变性等不足,本文提出了复合的LBM模型,通过拉普拉斯定律验证模型的正确性,然后使用模型研究双气泡、四气泡的聚并现象,由实验可知复合模型产生的较小的虚速度,并且满足伽俐略不变性。

稀土电解过程阳极壁面气泡聚并研究

稀土电解过程中阳极侧壁产生的气泡会改变阴阳极极间电场分布,引起极间电阻增大、电压升高、电解效率降低,从而影响电解槽的稳定运行。所以,系统分析阳极侧壁气泡的成核、长大、聚并及脱离等生长行为和规律对稀土金属的提取具有十分重要的意义。本文根据相似原理,进行水电解低温实验,按照与稀土电解槽1∶2的几何比例设计,通过铂丝嵌入环氧树脂的方法制备微电极。实验结果表明,垂直微电极侧壁面气泡成核、生长和脱离过程符合经典的气泡生长规律公式D(t)=βt^(1/3);为观察气泡之间的聚并、脱离行为,在微电极表面设计三个间距为500μm的成核点位,通过高速摄像机拍摄发现,微电极表面下方和中间的两个气泡率先发生聚并变为一个气泡,聚并时间为0.05 s,随后吸引上方的气泡与之发生聚并,最终三个气泡合并为一个大气泡脱离微电极,气泡的脱离时间为5.06 s,脱离直径约为1352.03μm。结合数值模拟的方法,进一步解释气泡之间的聚并过程,结果表明,电极表面的缺陷大小会影响气泡的脱离时间,气泡下侧与电极表面的三相接触位置会产生一个向上的涡旋,加速气泡的脱离,正确利用气泡的聚并行为可以减小稀土电解槽的槽电压,从而提高电解效率。

水平均匀电场下盐水中氯气气泡的聚并特性

实验测量了电场条件下盐水中氯气气泡的大小、气泡间距离及其聚并时间。采用两相流和相场模型对电场条件下氯气聚并过程进行了数值模拟。结果表明,采用实验和数值模拟方法所得到的气泡聚并时间的偏差为11.0%,说明两者吻合较好。在此基础上,分析了不同电压下气泡的聚并过程,考察了气泡直径、液体表面张力和黏度对氯气气泡聚并过程的影响。结果表明:在电压为0~200 V范围内,电压、气泡直径和液体黏度越大,气泡间距越大,聚并时间越长;液体的表面张力越大,气泡间距越小,聚并时间越短。

升温条件下多孔介质内气泡的生长和聚并行为

设计了两种横向和纵向喉道宽度比值(wh∶wz)分别为1.48∶1和1∶1的各向异性和各向同性多孔介质微流体芯片,以CO_(2)为气体,二甲基硅油为液体,采用可视化实验,系统地研究了升温条件下多孔介质结构对气泡生长和聚并规律的影响。结果表明,温度升高引起的传质生长是气泡突破喉道的动力。单个气泡在多孔介质内生长方向的选择依赖于喉道的门阙压力,气泡倾向于突破门阙压力小的喉道。随着温度的升高,气泡侵入和突破喉道速度加快。在各向异性多孔介质中,气泡倾向于在横向生长时与其他气泡发生聚并,而在各向同性多孔介质中,气泡更易发生纵向聚并。当多个气泡存在于各向异性多孔介质内时,气泡的初始分布会显著影响气泡间的生长和聚并过程;在各向同性多孔介质内时,影响则较小。各向异性多孔介质在实际工程应用过程中更易实现气泡流型调控。

高温大气泡与艉流微气泡间聚并作用研究

舰船利用主机尾气对尾流微气泡进行抑制,其实质是主机尾气生成的高温大气泡对尾流微气泡的聚并作用。本文首先分析主机排放的高温尾气在海水中形成的气泡特点,根据其和海水之间特定的传热及传质过程,在给出两者之间能否聚并的判据后,建立起高温大气泡对尾流微气泡的聚并模型。以此模型为基础,求解相应的聚并系数,进而得出高温大气泡运动状态对聚并作用影响的三个结论:一是Magus与Saffman升力均会显著影响尾流气泡的运动轨迹,并且这一影响随尾流气泡与大气泡间距的减小、尾流气泡尺度的增大而增大;二是大气泡尺度在一定范围内减小时,因受力及惯性等的作用,微气泡聚并的难度降低,聚并系数随之增大;三是随大气泡上浮速度的增加,聚并系数呈先增后减的趋势。本文成果可预测气泡运动参数对聚并速率的影响,对高温尾气大气泡聚并尾流微气泡的过程进行更贴近实际的模拟,为工程应用研究提供理论指导。

小气泡或小液滴之间的聚并

对2个小气泡或小液滴之间的聚并进行了动力学分析,并考虑范德华力的影响,得到了界面无切向运动时气泡或液滴聚并所需时间与气泡直径、流体主体和界面性质的关系。

相间传质对气泡聚并过程影响的实验研究

设计了一套双气泡聚并实验系统,考察了相间传质对气泡聚并过程的影响,气相采用非相变的N2,液相为挥发性的丙酮和乙醇水溶液.利用该系统测定了25?50℃温度下,不同组分浓度、鼓泡频率和气泡直径时气泡的聚并特性.结果表明,相间传质诱导的Marangoni效应使聚并时间随温度升高呈先减小后增大的趋势,聚并时间的分散性在较高温度下显著增大,采用聚并效率描述气泡聚并特性更合适;聚并效率在温度升高到一定程度后开始降低并趋于最小值,该值随溶液浓度增加而减小,稳定因子可定量描述Marangoni效应;鼓泡速率和气泡直径增加1倍,最小聚并效率分别减小50%和67%.

过冷池沸腾中气泡聚并对壁面换热影响的实验研究

该文实验研究了气泡聚并对核态池沸腾换热的影响。在恒壁温的边界条件下,利用微加热器阵列加热液态FC-72产生气泡,同时利用高速数据采集系统测量特定区域的热流密度。由于气泡之间液体层的蒸发和气泡聚并后产生的振荡,沸腾过程中发生气泡聚并时热流密度的波动远强于加热表面仅有单气泡生成时的情形。与单气泡成核相比,气泡聚并所产生的振荡提高了加热表面的再润湿频率,从而显著增加了平均传热。观测还表明,由于气泡之间的液体层被仍处于惯性生长阶段的气泡推离,气泡聚并速度非常快时并不会伴随热流量的增加。实验结果表明:当无量纲的聚并数Ncoal>0.2时,气泡聚并能够增强换热;反之,当Ncoal<0.2时,气泡聚并则会减弱换热。

声场中气泡间次Bjerknes力和气泡群聚现象

基于双气泡耦合振动方程,研究了强声场中初始半径为10μm以上的两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并探讨了驱动声压振幅、驱动频率、气泡间距和双泡的初始半径对次Bjerknes力的影响。结果表明:强声场中气泡运动的非线性效应,使泡间的次Bjerknes力增加,进而导致气泡大量聚集,互相牵制,形成稳定的气泡结构,即气泡群聚现象。

外环流反应器流动行为和气泡直径尺寸分布的CFD-PBM数值模拟

外环流反应器具有湍动剧烈、反应速率快等优点,广泛应用于磷化工行业。采用PIV(particle Image Velocity)研究外环流反应器内流动行为,并采用CFD-PBM耦合模型对鼓泡塔反应器内两相流动进行模拟,模拟的气速范围为0.01~0.04 m/s,气液两相流动采用Eluer-Eluer双流体模型,考虑曳力、升力、虚拟质量力;湍流模型采用k-ε模型,并考虑气泡对湍动的附加影响;采用PBM(Private brand management)模型模拟气泡的聚并和破碎。结果表明:表观气速对气泡直径尺寸分布有较大影响,循环液速随表观气速先增加后减小,表观气速为0.03 m/s时,循环液速达到最大值。模拟的平均气含率与实验结果进行比较,模拟结果与实验结果吻合较好。本研究可以为理解外环流反应器的流动、混合提供理论基础。