Study on the Bubble Growth and Departure with A Lattice Boltzmann Method

For the growth and departure of bubbles from an orifice, a free energy lattice Boltzmann model is adopted to deal with this complex multiphase flow phenomenon. A virtual layer is set at the boundary of the flow domain to deal with the no-slip boundary condition. Effects of the viscosity, surface tension, gas inertial force and buoyancy on the characteristics of bubbles when they grow and departure from an orifice in quiescent liquid are studied. The releasing period and departure diameter of the bubble are influenced by the residual gas at the orifice, and the interaction between bubbles is taken into consideration. The relations between the releasing period or departure diameter and the gravity acceleration show fair agreements with previous numerical and theoretical results. And the influence of the gas outflow velocity on bubble formation is discussed as well. For the bubbles growing in cross-flow field, effects of the cross-flow speed and the gas outflow velocity on the bubble formation are discussed, which is related to the application in ship resistance reduction. And optimal choice of the ship speed and gas outflow velocity is studied. Cases in this paper also prove that this high density ratio LBM model has its flexibility and effectiveness on multiphase flow simulations.

冰中微尺度受陷气泡生长分布特性与宏观热力影响综述

结冰是传热传质流动耦合的非线性、变密度液固相变过程,在自然界与工业界广泛存在且多呈负面影响。溶解于液态水中的微量空气在结冰时因冰晶挤压而汇聚后成核,形成较大气泡后因界面黏附力而停留在冻结锋面处,最终形成冰中大小各异、分布不一的微尺度受陷气泡。形成于结冰过程的微尺度受陷气泡,不仅因改变冰的内部结构、密度分布、导热系数及冻结速率而影响后期动态结冰过程,亦会影响结冰过程和结束后冰体的整体导热系数、热阻分布、抗压强度、应力分布等宏观热学、力学物理特性。为精准预测及控制结冰过程,开发和优化各类防除冰技术,微尺度受陷气泡的生长分布特性与宏观热力影响研究在学术界和工业界均备受关注。首先,以冰中微尺度受陷气泡为研究对象,从微观与宏观尺度对其成核机制、生长过程、分布特性和静态稳定性等进行综述。结果显示:气泡形状与冻结速率直接相关,当冻结速率大于25μm/s时,冰中出现长短轴比小于5的蛋状受陷气泡;当冻结速率在5~25μm/s时,冰中出现长短轴比大于5的针状受陷气泡;当冰冻结速率小于3μm/s时,冰中未能发现任何受陷气泡。其次,通过对既有文献中各类研究成果的梳理分析,对受陷气泡全生命周期的影响因素及其对结冰时、成冰后热力物性的不同影响机制进行了梳理与解释。冰中受陷气泡因降低冰的密度及改变内部冰晶结构而会显著降低冰的有效导热系数。在融冰实验中,气泡体积分数为57%的冰比不含气泡的透明冰开始融化时间滞后约50%,相同时间内的融冰高度低36.81%。随气泡体积分数增加,冰的水平和竖直抗压强度均逐渐减小,当气泡体积分数由4%增加到34%时,水平和竖直方向抗压强度分别降低为原来的8.38%和8.10%。最后,基于既有受陷气泡研究成果,对目前存在的研究空白及发展趋势进行了预测与阐述。本综述对理清受陷气泡复杂特性、丰富结冰过程传质理论有较大帮助,亦可为既有防除冰技术的优化设计提供参考与借鉴。

通孔金属泡沫表面的池沸腾实验研究

本文对烧结有厚度为30 mm的高孔隙率通孔铜泡沫的水平表面的池沸腾进行实验研究.并采用高速摄像仪对泡沫表面的汽泡生长形貌进行了可视化研究,研究了壁面过热度对热流密度、汽泡脱离直径、汽泡生长周期的影响关系。结果表明由于本文所研究的通孔泡沫厚度较大,限制了汽泡的脱离,使传热性能低于光表面,但是使沸腾起始点降低至3℃。

竖直矩形窄缝通道内近壁汽泡生长和脱离研究

可视化研究窄缝通道内汽泡生长和脱离对于揭示窄缝通道内的沸腾传热机理具有重要意义。本文采用高速摄影仪从宽面和窄面可视化观察了常压条件下矩形窄缝通道内汽泡核化生长和脱离规律。研究结果表明,汽泡在核化点生长时,汽泡底部与加热面存在一小的接触面,总体而言,汽泡在生长过程中基本呈球状。在相同热工参数下,不同核化点处汽泡生长规律基本相同,但汽泡脱离直径相差较大。窄缝通道内汽泡生长速率小,脱离时间较长,可采用修正的Zuber公式预测窄缝通道内汽泡生长直径。在同一拍摄窗口内,统计分析了热工参数对汽泡平均脱离直径的影响规律。随热流密度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随入口欠热度的增加,汽泡平均脱离直径减小;随主流速度的增加,汽泡平均脱离直径减小。

垂直磁场作用下水平微电极表面气泡生长特性实验研究

为探究不同电磁场产生的微观磁对流对水平微电极表面单个气泡生长行为的影响,建立恒定电流的电解水制氢实验系统。应用高速摄像可视化技术对电极表面气泡生长过程进行观察,结合OpenCV-Python自定义程序对气泡生长行为特征参数进行提取和分析。研究结果表明:在气泡生长周期内,气泡直径逐渐增大,气泡生长速率先增大后减小,外加磁场对气泡生长速率几乎没有影响,气泡生长速率随电解电流密度的增大而增大。与低电解电流密度工况相比,高电解电流密度下的气泡脱离直径明显偏大,气泡生长时间明显延长,工作电极电势明显偏高。随着磁感应强度增大,低电解电流密度和高电解电流密度条件下的气泡脱离直径、气泡生长时间和工作电极电势均呈现相反的变化趋势,高强度磁场或高电解电流密度作用使磁场的影响效果减弱。不同电解电流密度和磁感应强度下工作电极电势与气泡接触直径的变化规律类似,揭示出工作电极电势变化与电极表面气泡生长行为密切相关。

竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡动力学研究

通过对沸腾气泡在液体中的受力分析，建立了沸腾气泡长大过程的动力学方程；进而获得了沸腾气泡的生长速率与脱离直径的计算方法。采用图象捕集与处理系统，对竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡长大与脱离行为进行实验测定，结合模型求解，获得了气泡生长速率、气泡脱离直径、气泡与加热壁面的接触角等参数随操作条件的变化；由模型计算所得的气泡脱离直径与实测值较为符合。

液体流动条件下毛细管管口气泡动力特性实验

通过对液体流动条件下毛细管管口气泡生长及脱离过程进行可视化实验,分析了毛细管管壁浸润性、液体流速以及气体流量对气泡生长脱离过程的影响。实验结果表明:随着液体流速的增大,液体对气泡的横向剪切力增大,气泡的脱离周期减小,气泡的脱离直径也随着减小。同时,实验还发现随着气体流量的增大,使气泡生长动力增大,气泡的脱离周期减小;另外,实验还揭示出毛细管管壁浸润性的改变,将导致气泡生长过程中气固液三相接触线发生径向迁移。

水滴和气泡表面气体水合物的生长特性对比

气体水合物技术在天然气储运、气液混合物分离、近临界和超临界萃取、海水淡化及温室气体处理等领域具有广阔的工业应用前景。本文综述了静止悬垂水滴和悬浮气泡表面气体水合物的生长特性及机理,对已有的关于研究单个静止悬垂水滴和悬浮气泡表面气体水合物的生长特性的具体实验现象及结果进行了对比分析,对今后的水合物研究方向做出了展望。

空泡动力学特性的研究进展

空泡的动力学特性是其实现特定功能的关键。从空泡成核、生长以及溃灭3个阶段,分别介绍空泡的成核方式和基本原理、空泡生长过程中的变化以及溃灭时的能量和射流冲击。阐述环境压力、液体黏度和表面张力对空泡动力学特性影响的研究进展,并对空泡研究的重点和应用前景进行展望。

悬浮气泡表面天然气水合物形成的特性研究

基于悬浮气泡表面生成气体水合物的高压可视化实验装置,分析探讨了系统压力、温度、水质因素对天然气水合物的成核和生长规律的影响。研究结果表明,随着反应温度的降低和反应压力的增大,诱导时间和生长时间呈现出缩减的趋势,气泡表面水合物逐渐由粗糙变得光滑;蒸馏水形成的水合物比较规则、密实,而纯净水形成的水合物略显凌乱、松散;相同实验条件下,蒸馏水生成水合物的诱导时间和生长时间较短。

悬垂水滴与悬浮气泡表面气体水合物形成特性对比

基于悬垂水滴和悬浮气泡表面形成气体水合物的可视化耐高压实验装置,分析探讨了反应压力、温度、水质等因素对水滴和气泡表面气体水合物成核和生长规律的影响.对已有的关于研究单个静止悬垂水滴和悬浮气泡表面气体水合物生长特性的实验现象及结果进行了对比分析,得出结论:温度和压力是影响表面水合物结晶与生长的重要因素;温度的降低或压力的升高均使水合反应速度加快.研究为发展喷雾法和鼓泡法这两种强化制备水合物的方式提供了有效的实验支撑.

双联毛细管管口气泡生长可视化实验

利用高速摄影仪对双联毛细管管口气泡的生长和脱离特性进行了可视化实验研究。实验结果表明,当液体淹没双联毛细管管口时,在管内无气体流动情况下,管径大和亲水的毛细管易于成为液体通道,而管径小和憎水的毛细管易于成为气体通道;在有气体流动情况下,管径大的毛细管成为气体通道,而管径小的则成为液体通道。当气室的进气流量增大时,双联毛细管端口处气泡脱离直径变化很小,而气泡的脱离周期却随之明显减小,双联毛细管的气泡生长和脱离会发生明显的相互影响。此外,液体流速对气泡的生长和脱离有很大的影响,液体流速越大,气泡脱离越快,气泡的脱离直径则越小;在液体流速较大时,靠近流体进口处的毛细管端口气泡生长和脱离明显加快,从而导致相邻毛细管端口的液体回流现象。

非均匀直流电场作用下气泡的生长变形与脱离特性实验研究

电场强化多相系统相间分散技术被广泛应用于化工领域。气泡生长过程决定着气泡脱离后的尺寸和分散特性,它们是影响传热传质效率的重要因素。为此搭建了静电气液分散可视化实验系统,利用显微高速摄像技术对非均匀电场下液体电介质中的气泡生长过程进行了微观可视化研究,通过对实验获得的气泡生长及脱离过程的微观图像进行处理分析,归纳了气泡生长变形与脱离的多种动态特征。实验结果表明:气泡生长可分为4种特征区别明显的模式,包括滴状分离、锥形分离、扭结分离和枝杈破碎;受荷电弛豫效应影响,自由电荷在气液界面局部聚集,使库仑力作用强度不均匀,宏观表征为气泡表面波动;随电场强度的增大,气泡沿电场方向被拉伸且气液界面的波动程度加剧,气液界面稳定性被电场力削弱,最终气泡破碎形成微气泡群。该研究可为电场作用下气泡脱离尺寸和脱离频率的控制提供参考。

核态沸腾中汽泡动力学及传热机理分析

汽泡的传热及生长特性研究对于揭示核态沸腾的机理具有重要作用。本文介绍了利用高速摄像技术对核态沸腾中汽泡生长及运动现象进行实验观测,并用高速数据采集系统记录汽泡一个生长周期不同阶段的热流密度的方法。在不同的过冷度及壁面温度条件下,观测了汽泡的生长、周期性滑移、颈化和脱离现象。计算并绘制出不同条件下一个汽泡生长周期内的热流密度曲线,与汽泡图片相对应,分析并讨论了造成这些现象的机理。

DMFC阳极CO_2气泡生长及脱离特性研究

通过对竖直放置直接甲醇燃料电池水平流道内扩散层壁面上CO_2气泡的受力分析,建立描述气泡生长动力学方程,获得CO_2气泡生长速率和气泡脱离直径的计算方法。计算结果表明:CO_2气泡生长和脱离主要受浮力、曳力、剪切升力和表面张力的控制;气泡生长速率随电流密度和接触环直径的增大而增大;甲醇溶液流速增加,气泡脱离直径变小,且流速对气泡脱离直径的影响随接触环直径减小而变大;电池放电电流密度的变化对气泡脱离直径几乎没有影响;温度和甲醇浓度增加,均使气泡脱离直径略有减小;扩散层表面润湿性越好,气泡的脱离直径越小。

乙烷核态池沸腾中的气泡生长、脱离和上升

利用高速摄影仪对乙烷在水平铜表面饱和核态池沸腾中的气泡行为特性进行了实验研究,并开展了理论分析,实验测量压力为0.2 MPa,热流密度范围为14.65~80.79 kW m^(-2).实验中观测到气泡的生长、脱离和上升过程,得到单个气泡的生长周期,同时绘制出单个气泡生长周期内的直径变化曲线,并将其分为快速、慢速和稳定增长3个阶段,且气泡直径与时间呈幂函数关系.鉴于其分段特性,推荐采用分段预测模型.发现了气泡脱离直径及频率随热流增大而增大,气泡脱离形状随热流增大而呈现球型、椭球型和不规则形状的变化.还观察到气泡合并,轨迹变化,附加运动和流型变化等现象,并分析讨论了其形成机理,发现系统压力、加热壁面性质液体物性对气泡的行为特性有较大影响.相比文献中的常温液体,乙烷气泡生长周期有差异,其脱离形状有椭球型及不规则形状,且气泡上升轨迹变化相对简单.