声场中气泡界面稳定性研究

声致空化广泛应用于表面清洁、生物成像和材料合成等领域,气泡的界面稳定性对空化作用效果有重要影响.考虑液体黏性和表面张力的影响,采用扰动法获得气泡径向运动控制方程的解析解,建立单/双频激振声场中气泡界面稳定性预测模型并求解,获得气泡振荡的临界半径.当气泡初始平衡半径小于临界半径时,气泡界面保持稳定;大于临界半径时,气泡界面失稳.在单频激振声场中,低频激振下气泡界面失稳的低阶临界半径在其共振半径附近,高阶临界半径不受频率影响,与同阶的高频激振下临界半径相当,给出了不同激振幅值下高低频的临界频率值.在双频激振声场中,分3种情况（即双低频激振、高频+低频激振和双高频激振）讨论声场中关键参数（即激振频率、振幅分配比和总的声压幅值）对气泡界面失稳临界半径的影响.     

超临界CO2流体中空化泡共振频率的研究

为了探索超声强化超临界CO2中空化泡共振频率特性,根据Rayleigh-Plesset方程推导出空化泡自然共振频率关系,分别考察了空化泡共振频率随空化泡初始半径、流体的压力和温度的变化规律。结果表明：超临界CO2流体中空化泡共振频率随空化泡的初始半径增大而减少。随流体压力的增大而先减少后增大,在流体压力约为18MPa达到最低值,随流体温度的升高而增大,在空化泡初始半径相同情况下,在超临界CO2流体中的自然共振频率要比水中的自然共振频率高。超声波频率只有与空化泡的自然共振频率相近时,空化泡在一个声周期内崩溃,所需的声压最低。     

超声珩磨作用下磨削液空化泡的共振频率

为揭示超声珩磨加工过程中磨削液空化泡的共振特性,首先利用VHX-600ESO显微镜对油石表面的磨削液进行了微观测量试验,得到了共振状态下的空化泡.基于空化泡的动力学理论,推导出了超声珩磨作用下磨削液中空化泡的共振频率方程.数值模拟了水和煤油中空化泡初始半径、磨削液静压力、气泡内含气压、磨削液温度对空化泡共振频率的影响.通过讨论磨削液中空化泡的振动位移,验证了超声频率与空化泡共振频率的匹配关系.结果表明,水中的空化泡要比煤油中更容易发生共振,这是导致粗珩选择水溶液而精珩选择煤油的一个重要原因.      

超声空化气泡运动方程的求解及过程模拟

考虑液相的动力粘度、表面张力和溶剂的蒸气压对空化泡运动特性的影响,建立了超声作用于均相液体中空化泡运动的动力学模型,并用MATLAB工具对建立的普遍化的模型方程进行了数值求解和过程模拟.探讨了超声在水介质中传播时超声的频率、功率和空化泡的初始平衡半径对空化泡运动规律的影响以及声压幅值和液相主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响,为超声的空化效应在化工过程中的研究和应用提供了基础理论依据.     

微膨胀床反应器内气液分布设备性能数值模拟

用VOF数值模型方法,对适用于上流式微膨胀床反应器内的气液分布设备进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了对比。考察了气液分布设备对气液两相的分布作用,包括分布器内的动态流动特征和流动形态。同时考察了气泡的大小、上升速度、压力降随着表观气液速的变化规律。结果表明：(1)选用VOF数学模型,可以清晰准确的模拟出气液分布器的动态流动特性和气液分界面,可以指导气液分布器的优化设计;(2)气泡的上升速度随着表观气速和表观液速的增大而增大;气液分布器出口气泡的直径随着表观气速的增大而增大,随着表观液速的增大而减小;截面平均气含率随着表观气速的增大而增大,随着表观液速的增大而减小;气液分布器的压降则随着表观气速的增大而减小,随着表观液速的增加而增大;(3)相对于表观液速的变化,气液分布器对表观气速的变化敏感度更高,表观气速更影响分布器的工作负荷。     

静态声空化泡内外的质量交换

研究表明声空化泡内外存在着不可忽略的质量交换,但目前的研究主要针对激烈脉动型的声空化泡.本文利用驻波声场的Bjerkes力稳定悬浮非激烈脉动型声空化泡（静态声空化泡）来研究泡壁处气液间的质量交换特性.结合实验结果,我们分析了驱动声压、气体种类、液体的黏度、表面张力,饱和蒸汽压等因素对静态声空化泡内外质量交换特性的影响.同时,我们设计的实验系统也为气液传质特性测量提供了一种方法.     

水力脉冲振动注水泥装置的设计与试验

研制了新型水力脉冲振动注水泥装置,该装置安装在套管底部,在注水泥过程中产生水力冲击作用于套管、水泥浆和钻井液,通过消除气泡、清除泥饼、提高顶替效率和水泥石强度来提高水泥胶结质量.试验测量了水力脉冲装置的脉冲特性.结果表明,当喷嘴压降产生的上推力超过弹簧预紧力时,脉冲装置可以形成幅度为0.5～1.5 MPa、频率为22～25 Hz的压力脉冲,压力脉冲波形规则.调整喷嘴直径,可以控制压降;调整弹簧预紧力,可以控制脉冲压力幅度.该水力脉冲振动注水泥装置活动部件少,安全可靠,便于现场应用.     

文丘里管反应器空化泡的动力学特性

应用四阶Runge-Kutta法,对空泡径向非线性方程进行数值模拟,分析了文丘里管反应器内空泡的成长与溃灭特性以及湍流作用、空化泡初始半径、入口压力对空化泡运动特性与形成压力脉冲的影响规律.结果表明:在湍流作用下,气泡崩溃时压力脉冲远大于非湍流的效果,初始半径越小,压力脉冲越大,入口压力变化对压力脉冲影响有一最佳值.     

Precise measurement technique for the stable acoustic cavitation bubble

Based on the periodic oscillation of the stable acoustic cavitation bubble, we present a precise measurement technique for the bubble evolution. This technique comprises the lighting engineering of pulsing laser beam whose phase can be digitally shifted, and the long distance microphotographics. We used a laser, an acousto-optic modulator, a pulse generator, and a long distance microscope. The evolution of a levitated bubble can be directly shown by a series of bubble＇s images at different phases. Numerical simulation in the framework of the Rayleigh-Plesset bubble dynamics well supported the experimental result, and the ambient radius of the bubble, an important parameter related to the mass of the gas inside the bubble, was obtained at the same time.     

A phenomenological model of mass-exchange between the inside and outside of a cavitation bubble

The mass-exchange between the inside and outside of a cavitation bubble is a complicated process with several kinds of exchange forms acting together, such as gas diffusion, gas-liquid phase transition, chemical reactions and so on. A phenomenological model of mass-exchange was proposed, in which the pressure difference is considered as the drive. Compared with the previous physical models, it has a simpler form and less computational cost. Combining it with Rayleigh-Plesset equation, the equilibrium radius is calculated when the mass-exchange achieves the dynamic balance. The result shows that the equilibrium radius has multiple values. The relationships between the equilibrium radius and the driving ultrasound (pressure amplitude and frequency) are evaluated. We also investigated how these relationships were affected by the model parameters. Finally, the bubble radius evolution in the sulfuric acid driven by different pressures was measured. The experimental result that the equilibrium radius changes with the pressure agrees with the numerical results well. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10434070, 10704037), the Key Project of Chinese Ministry of Education (Grant No. 103078) and the Young Scholar Technological Innovation Projects of Jiangsu Province (Grant No. BK2007569)     

超声珩磨区考虑煤油蒸汽冷凝与蒸发的空化泡动力学分析

为了更深入地探究超声珩磨区空化泡的动力学特性,以煤油为磨削液介质,考虑煤油蒸汽的冷凝与蒸发建立了功率超声珩磨下的单空化泡动力学模型。利用4阶龙格库塔法对不同工作条件(珩磨压力、珩磨头回转速度和往复速度、磨削液粘性、超声频率)下的空化泡泡壁运动规律进行了数值模拟与分析。研究表明：较高的珩磨压力、珩磨液粘性以及超声频率会抑制珩磨区空化效应的产生,而珩磨头回转速度与往复速度的变化对空化效果影响极其有限。     

镁合金熔体中超声空化泡行为的数值模拟

以超声空化理论为基础,应用Matlab软件对Rayleigh-Plesset方程进行了数值模拟计算,主要研究了不同超声条件(超声频率、声压幅值和空化泡初始平衡半径)对镁合金熔体中空化泡行为的影响,并且探讨了声压幅值和熔体主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响.结果表明,较低的超声频率和熔体主体温度、较高的声压幅值以及小于或等于共振尺寸的空化泡初始平衡半径有利于超声空化效应.     

空化气泡发光机理

介绍了单气泡声致发光现象的主要研究进展,总结了理论计算研究结果.通过求解流体力学方程组等比较完全的数值计算,发现空化气泡发光机理就是高温、高压和高密度的气体发光,因气泡达到的温度不同,有时原子或分子线谱贡献占优势,有时连续谱占主导.通过研究单气泡形状不稳定性,发现声压的非球对称微小偏离导致驱动声压上限.     

超临界CO2流体中超声空化阈值的研究

为了研究超临界CO2流体中超声空化产生的可能性,根据超声空化阈值的基本理论和超临界CO2流体的物态数值,研究了超声空化阈值随空化泡初始半径、流体压力和温度的变化规律．结果表明：超临界CO2流体中超声阈值声压PB、阈值声强IB随空化泡的初始半径增大而减少;对超临界CO2流体,当压力较大或温度较低时,更容易产生空化;在空化泡初始半径相同的情况下,超临界CO2流体中的理论空化闽值比水中的理论和实际空化阈值均要低．     

脉冲态空化射流掩模电解加工试验研究

针对掩模电解加工金属表面微凹坑过程中存在的电解产物排出困难的技术问题,创新性地提出脉冲态空化射流掩模电解加工方法.为了研究该工艺的加工特性,设计了单个微凹坑和阵列微凹坑的加工工艺试验.研究了不同冲液类型、气液比例、气体脉冲频率对于微凹坑表面形貌的影响规律.试验结果表明,采用脉冲态空化射流式的冲液类型相比于传统的纯射流式更具优势,能加工出深径比更高的微凹坑结构;选择较高的气液比例和较低的气体脉冲频率有利于提高微凹坑的深径比;同时推论出脉冲态空化射流掩模电解加工的脉冲扰流与气蚀效应是电解产物及时排出的原因.该方法能够有效改善流场,是实现高效率、高均匀性的表面微凹坑结构的前提.     

泡沫压裂液的两相欧拉颗粒流数值模拟

从两相流的角度出发，将泡沫压裂液的气相处理成气泡相并建立两相欧拉颗粒流模型来研究泡沫压裂液的流变性．研究发现：气泡尺寸随剪切速率增加而减小是泡沫压裂液呈剪切稀化的重要原因，泡沫压裂液的黏度及非牛顿流体性质主要由气泡相黏度产生；气泡间的摩擦和碰撞是泡沫压裂液黏度急剧上升的主要因素，摩擦产生的黏度在高气相体积分数时占主要地位；两相之间基本没有相间滑移速度存在，两相的湍流脉动动能随气相体积分数的增加而增加，管壁附近的湍流脉动动能最大；有效黏度的模拟值与实验结果基本吻合，但模拟值稍微偏大，这可能是因为实际泡沫压裂液中的气泡在剪切场中发生了破碎和变形．但是，该两相流模型不能用于气相体积分数大于65％以上的泡沫压裂液．     

Modeling cavitation flow of cryogenic fluids with thermodynamic phase-change theory

Cavitation is the formation of vapor bubbles within a liquid where the flow dynamics causes the local static pressure to drop below the vapor pressure. The so-called full cavitation model (FCM) developed by Singhal has been widely used in numerical modeling of the cavitation flow for thermosensible and non-thermosensible fluids. Within the FCM, the bubble size is taken to be equivalent to the maximum possible value to forego the calculation of bubble number density. We developed a new cavitation model by re-calculating the bubble radius in FCM to account for the effects of local pressure. The new model was obtained by combining the thermodynamic phase-change theory and the Young-Laplace equation with the assumption of thermodynamic equilibrium during the cavitation process. The cavitation calculations were performed based on the mathematical framework of the homogeneous equilibrium flow model and the transport-equation-based model for vapor phase mass fraction. The model was validated by modeling the cavitating flow of liquid nitrogen and liquid hydrogen through NASA hydrofoil and Ogive with consideration of the phase-change thermal effects. The temperature and pressure distributions with the new model are found to agree well with data from existing experimental studies, as well as the simulations with the FCM.     

垂直管不同黏度下油气水三相流压降规律研究

为研究垂直管不同粘度油气水三相流压降变化规律以及建立新的三相流压降预测计算方法,依托于中石油气举试验基地多相流试验室,对垂直上升管道中不同粘度油相下的油气水三相流动进行模拟。在固定油水比条件下,通过调整不同油相粘度、气液比、气液流量等参数进行油气水三相流试验,研究油相粘度对油气水三相管流压降变化影响规律。利用CFD软件参考试验工况模拟油气水三相流动,确定在不同粘度条件下气液两相分布情况,通过CFD软件模拟确定油水两相在充分混合后可视为单一非牛顿流体混合相。基于CFD模型结果,将三相流看作油水混合相与气相的两相流动,考虑粘度对摩阻系数的影响,根据非牛顿流体剪切特性建立了新的摩阻系数计算方法,基于M-B模型重新建立了新的压力计算方法。对比试验数据与计算结果,发现压降计算模型误差范围在15%内,满足工程实际需求,说明压降模型具有实用性。     

流体振荡对纯液体气液相平衡压力的影响

通过恒温水浴振荡器使液体（乙醇、异丙醇和水）产生振荡,以此研究在振荡条件下气液相平衡压力与饱和蒸汽压的偏离程度。结果表明：流体的振荡使气液相平衡压力与其饱和蒸汽压发生了明显的偏移,且偏移程度随振荡时间的增加而增大,3min左右趋于稳定;振荡频率越大、温度越高偏移程度越大,在温度35℃和振荡频率210min^-1的条件下,乙醇最大偏移程度为14.5%。     

气泡粘性对上升运动特性影响的FTM模拟

为了研究气泡粘性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于FTM(Front- Tracking Method)模拟了气泡在粘性流体中的运动,通过改变气泡粘性来改变气液粘度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围粘性剪切应力的分布和变化特点。研究表明：气液粘度比较小时,流场中的粘性耗散很强,气泡的粘度主要影响其平衡速度和形态,气液粘度比较大时,粘性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡粘性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随粘度比增大而减小,粘性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的粘性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大粘性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。