强磁场对镓流体中气泡振动的阻尼效应

基于磁流体动力学,忽略流体磁化效应,建立了有限幅度超声场驱动下均匀磁场环境中气泡的动力学方程,并数值模拟了镓流体中磁场、表面张力、静态压及黏性力对气泡运动的影响,同时基于能量关系分析了磁场对气泡能产生有效抑制作用的理论下限.结果表明:强磁场对气泡振动具有阻尼效应,尤其对气泡的小振幅回弹振动具有强阻尼作用,与表面张力、静态压及黏性力作用相比,磁场作用和黏性力作用类似,可认为,磁场主要通过改变黏性力影响气泡的运动状态;另外,磁场能对镓流体中气泡振动产生有效抑制效应的下限约为0.5T,与数值计算结果一致,即在实验室常用磁感应强度条件下,磁场对气泡振动影响微弱,只有在强磁场(大于0.5T)条件下,对气泡振动的阻尼效应比较明显.     

不同尺度水平并列气泡运动特性三维数值研究

本文基于Open FOAM开源代码建立了能描述气泡运动的三维气液两相流数学模型,对单个气泡及不同尺度大小的并列气泡在静水中上升的运动过程进行模拟.通过数值模拟进一步了解气泡形变特征以及射流产生与发展的真实物理过程,同时探究新增气泡的尺度效应对原单气泡的影响.结果表明,本模型能较精确地模拟气泡在水中的运动变化过程,适应于具有大密度比的复杂界面流的三维数值研究;气泡周围的速度场与涡量场有效地揭示了气泡射流的动力结构特点;对于能贯穿气泡上表面的射流,其速度在穿透气泡之前与气泡上升速度同时达到最大值;在单气泡周围一定范围内布置新的气泡,新增气泡的尺度越大,对原气泡流场结构影响越大,新增气泡尺度增大导致气泡射流向两气泡所处位置连线的中轴线方向发展.     

声场中椭球形气泡的体积振动研究

利用Lagrange方程得到了3个半轴呈一定比例的椭球形气泡的体积振动方程,探讨了不同驱动声场、不同半轴比例下椭球形气泡的体积振动和共振频率,并与同样体积下的球形气泡进行对比。结果表明:同样声场驱动下,椭球形气泡的体积变化振幅小于球形气泡体积变化振幅,椭球形气泡越偏离球形,气泡体积改变量越小,反之亦然;椭球形气泡的共振频率取决于其3个半轴长度的比值和气泡均衡体积。     

气泡振动对氧溶解的影响

通过匹配求解扩散方程与气泡振动方程，得到血液中氧浓度随空间与时间的变化，并与气泡无振动时的扩散方程的解相比较，说明气泡的振动，可以增加氧的溶解．     

单泡空化振动系统的动力学数值模拟

根据微气泡的动力学方程,用数值计算的方法,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了研究。分析表明：气泡的振动对初始半径这个参量很敏感;气泡崩溃速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范围内能保证空化泡稳定的振动,在初始半径为1.6μm处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱甚至消失、同时,将分析结果与前人的实验数据比较,发现在考虑液体的可压缩性以后对单泡最佳空化区域有很大的改进。     

黏性对含气泡液体中声波传播的影响

用有效介质理论、在线性近似的基础下研究了含气泡黏性液体中线性声波的传播特性,主要调查声波的衰减系数和相位速度随各种因素的变化规律.在研究中充分考虑到液体的黏性对气泡的振动方程和声波的波动方程的影响.研究发现声波的共振吸收是由气泡的共振引起的,但是要受到气泡间相互作用的影响.这种相互作用不仅导致声波的共振吸收频率和气泡的共振频率之间的差异,还引起共振吸收频率半宽度的增大.在低频非共振吸收区,主要调查了黏性和气体的体积分数对声波传播的影响.此外我们把黏性对声波的影响方式分成两类,即通过气泡的振动方程和通过声波的波动方程.我们分析了两类方式所起的作用,并大致给出某些近似理论成立的条件.     

静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究

采用数值模拟和实验研究相结合的方法,对静水中气泡上升运动特性进行了研究。在考虑和不考虑Basset力的情况下对推导出的静水中单个气泡上升运动控制方程进行耦合求解的基础上,对比分析了不同初始半径气泡上升速度模拟值与实测值之间的差异,研究了在考虑Basset力的情况下静水中不同初始半径气泡的模拟上升速度与时间的关系以及上升速度和初始半径对气泡半径变化率的影响。     

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.     

气浮池接触区微气泡粒径及气含率分布实验研究

气浮技术作为高效清洁的除油工艺,常用于密度相近的液-液两相流或水中悬浮颗粒的分离。作为微气泡的产生及微气泡与油滴等悬浮物质黏附的场所,气浮池接触区水利流动状态下的微气泡粒径及气含率分布对除油效率有着重要影响。实验表明,溶气压力0.34 MPa时微气泡尺寸更小;双释放头能显著提高气含率;接触区宽度较小时,湍动作用加强微气泡聚并严重;表面活性剂浓度能降低表面张力,有效抑制微气泡聚并;最佳浓度为0.5 mg/L时,平均尺寸维持在65~70μm。     

超声作用下水中微气泡的运动特性

超声促晶过程中,水或溶液中气体微泡的运动特性对结晶过程具有重要影响。建立了水中单个气泡的运动方程,讨论了各种力学因子和气泡粒径对单气泡上浮的影响;重点研究了气泡在外加超声波作用下,气泡粒径的变化规律以及气泡的运动特性。研究结果表明:静水中气泡的上浮速度随时间增加而逐渐增大,上浮初始阶段必须考虑由于加速度所引起的虚拟质量力和Basset力对上浮速度的影响;气泡上浮过程中其粒径越大则上浮速度越大;超声作用下,声压梯度力对气泡运动速度的影响强于其他力学影响因子,其速度变化与超声波发生规律一致;当气泡的初始位置处于超声场的不同位置处,气泡运动的方向相异,气泡具有上下两个方向的位移变化。     

横向磁场中矩形金属薄板的振动问题

给出了横向磁场中矩形金属薄板的振动方程,并对四边简支矩形板的振动特性进行了分析,最后给出了数值计算结果,表明磁场变化对振动频率及衰减系数的影响。     

组合式结晶器内的气泡运动

为了探讨组合磁场净化钢液的机理,采用颗粒轨道模型对组合式结晶器内气泡的运动轨迹进行了模拟,对静磁场磁感应强度(0～0.26T)及静磁场与交变磁场的不同相对位置对气泡去除率的影响进行了分析。计算结果表明:随着静磁场磁感应强度的增强,气泡去除率提高;两磁场距离由270mm增大到420mm,大气泡的去除率逐渐提高,小气泡的去除率逐渐降低。进入上返流的气泡数量和气泡在液面处的停留时间影响气泡去除率。     

水中气泡界面的干涉现象研究

在对流体可视化(PIV)技术的研究过程中，发现与气泡相切的衍射光线和穿过气泡再次出射的两条光线能产生干涉现象，并计算出了这两条光线的光程差、干涉强度与入射角的关系后，绘制出了干涉光强随入射角的关系曲线。用自制设备拍摄到水中气泡界面附近的干涉条纹图像证实了水中气泡界面的干涉现象。     

磁性液体两相界面演变特性的数值研究

为了克服VOF,Level Set等方法在磁性液体两相流动研究中存在的不足,采用界面追踪法(VOSET,coupled Volume-of-Fluid and Level Set)捕捉相界面,将磁场力作为源项添加到流体运动的动量方程中,建立了磁性液体流场与磁场耦合的数值方法。推导了麦克斯韦方程的二维理论解并用于验证数值解,两者吻合良好,验证了磁场求解的正确性;同时通过模拟磁性液体液滴的平衡形状验证了本数值方法的准确性;进而分别研究了均匀磁场作用下磁性液体液滴振荡及非磁性气泡在磁性液体中上升的问题。研究结果表明,液滴或气泡均会沿磁场方向拉长,增大磁场强度或磁化率将导致更显著的变形;磁感线在相界面出现弯曲,弯曲方向指向磁导率较大的介质。     

泡群内气泡振动特性分析

本文从均匀球状泡群内气泡非线性振动方程出发分析了驱动声压幅值、声波频率和液体环境对空化气泡振动特性的影响.数值分析结果表明:超声波驱动下的非线性振动气泡存在不稳定响应区,不稳定响应区主要分布在声波频率小于5 0 kHz的低频区和平衡半径小于1 0μm的微泡尺寸范围;平衡半径为3μm左右的空化微泡有较强的声响应能力和不稳定性,在特定的液体和声环境中,极易受到扰动生长为平衡半径更大的气泡;驱动声波频率一定的情况下,随着驱动声波压力的增加,气泡的非线性共振频率降低,声场中气泡的共振尺寸减小;平衡半径大的气泡空化阈值低,更容易引起空化效应.液体内溶解气体浓度影响空化进程以及空化声压阈值,溶解气体浓度越低空化阈值越高.     

舰船尾流气泡数密度分布的实验模拟

为了能在实验室中为评估激光、超声探测舰船气泡尾流的检测技术提供检测对象,提出了基于电解产生氢气泡定量模拟实际舰船尾流气泡数密度的方法．依据电化学及气泡动力学原理推导了金属丝通电电流与气泡数密度的关系,在对舰船尾流场气泡数密度估计的基础上,给出了在船池中为布置在水中的金属丝通上给定的电流,模拟驱逐舰远场气泡尾流的具体方案,实验表明该方法对于舰船远场气泡尾流场的模拟比较右神     

外磁场对磁流体油膜轴承性能影响研究

外磁场对磁流体油膜轴承的作用可以有效提高油膜轴承的工作性能。本文设计一多层密匝螺线管作为外磁场为轴承提供磁场强度作用力。该外磁场模型所产生的磁感应强度分布方程已计算得到。通过实验测量螺线管内部磁场强度分布;通过控制温度和磁场两个影响因素对磁流体粘度进行分析。研究表明,合理施加外磁场作用可有效提高磁流体轴承承载能力降低轴承失效率;此外,还可以增强轴承密封性能。     

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。     

底吹过程中基于图像处理技术的气泡直径分布特性

为了获取底吹过程中气泡群直径的分布规律,采用高速摄影法及图像处理技术对水中气泡群直径进行提取与分析。首先,对原始图像进行预处理,将其转换为二值图像,通过设定圆形度范围将其分为单气泡、粘连小气泡、粘连大气泡3类,然后运用改进分水岭分割算法对粘连气泡进行分割处理,最后得到整个气泡群的直径分布。研究结果表明:随着气泡发生聚并破碎,水中小直径气泡居多,中等直径气泡和大直径气泡较少,气泡数量与气泡直径之间的关系可近似看作呈双曲线分布;随着气体流量增大,小直径气泡数量急剧增多,同时产生更大的气泡;气泡Sauter直径与最大直径均随着气体流量的增大而增大,气泡Sauter直径与最大直径的比值C稳定在0.72左右。     

金属熔体中高强超声空化气泡运动的数值研究

导出了可压缩液体中空化气泡泡壁运动方程,用该方程对高强超声场作用下铝熔体中空化气泡的运动规律进行了数值求解。结果表明,导出了泡壁运动方程保留了Ｕ／Ｃ的高次项,精度高于传统的不可压缩液体泡壁运动方程;高强超声场作用下铝熔体中空化气泡溃灭时可产生极高压冲击波;超声声压幅的大小对空化的强度和密度影响很大。