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.     

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。     

基于VOF方法发动机水下排气气泡特性研究

为了研究发动机水下排气气泡运动特性,从工程应用问题出发,分析气泡水下运动及演化特性.考虑重力、浮力、黏性阻力及表面张力作用,运用VOF(流体体积法)方法对气液两相界面进行追踪,对单气泡运动特性进行模拟计算,提出一种计算气泡形心坐标、运动轨迹、速度大小的方法;基于对菲克定律中扩散通量的求解模拟了单气泡在水中的溶解特性.结果表明:气泡在水下上升过程中底部持续向内凹陷,形状由球形变为扁椭球形或帽形;单气泡在水中的运动轨迹初始为直线,随后开始左右摆动上升,摆动幅度逐渐变大,为类S曲线;x方向速度从零开始增大,并在Vx=0这条直线上下波动,幅度逐渐增大;y方向速度经历了由零到快速增长、近似恒定、急剧减小的过程.     

Bjerknes力对微气泡运动特性的影响

以水为工作介质,利用气泡的控制方程,模拟微气泡在驻波声场中运动特性,分析了Bjerknes力对气泡运动轨迹的影响.结果表明:不同声压下,同一位置或相同声压不同位置的气泡所受到的Bjerknes力的系数相差几个数量级,气泡在向声压波腹区域移动过程中,所受的主Bjerknes力先增大后减小,而次Bjerknes力一直增大,它们的作用使气泡在声轴周围形成一个圆环,声压越大,圆环越大.     

镁熔液中氢气泡析出动力学模型

针对镁熔液中氢气泡的析出过程,分析氢气泡析出的动力学特性。考虑多种因素对氢气泡析出影响,对镁熔液中氢气泡上浮运动进行受力分析,利用牛顿第二定律得出氢气泡上浮运动过程中的瞬时加速度方程,并结合气体状态方程、传质边界层方程及流函数等相关性质,推导出镁熔液中氢气泡在析出过程中气泡速度、气泡半径、气泡上浮高度与时间变化关系的动力学模型。采用龙格库塔算法将模型方程在MATLAB中进行编程计算,得到气泡传质速率与时间及气泡半径与时间的关系曲线。研究结果表明:氢气泡形核后析出,随着上浮高度的增加,气泡速度与半径都随之变大,加速度先增大后减小;临近界面处,气泡趋于某一速度值析出并破裂。此模型为镁熔液中氢气泡的形成机理提供了一定的理论基础,对镁合金液态质量控制具有重要意义。     

初始形状对浮升气泡动力特性的影响

采用Level Set方法,三维直接数值模拟了浮力作用下单个气泡的上升运动.数值模拟中,气液系统的物性参数设置为埃奥特沃斯数Eo=1～103,莫顿数Mo=10-10～102.数值研究了气泡的初始形状对气泡的变形和上升速度的影响,并与文献中结果进行了比较;给出了高Eo时气泡由球帽状转变为气泡环的结构相图,确定了二者形状转变的Eo和Mo;最后详细分析了初始形状影响气泡动力学特性的机理.模拟结果表明:低Eo(Eo<52)时浮升气泡的终端形状与上升速度基本不受初始形状的影响;高Eo和低Mo时的浮升气泡受初始形状的支配,呈现出球帽状和气泡环两种最终形状,初始气泡的高宽比越大,气泡越容易变形为气泡环,上升速度的脉动也越剧烈.     

液压缓冲滑车碰撞试验力学建模及数值分析

以液压缓冲滑车碰撞试验装置为研究对象,应用有关力学和流体力学理论,对碰撞过程中滑车和液压缸活塞的受力、运动以及液压缸的压力变化进行了分析。根据能量守恒原理,构建了滑车碰撞过程的力学模型和能量守恒模型,采用离散求解方法,对所建立的模型实现了数值求解。针对某一具体算例,深入研究了滑车质量、初始碰撞速度、阻尼孔直径等参数对碰撞过程的性能影响,得到了一系列规律性的曲线。结果表明:滑车的加速度随初始碰撞速度、阻尼孔长度增大而增大,随滑车质量、阻尼孔间距的增大而减小;碰撞过程中,滑车质量越大,滑车速度降低得越慢;阻尼孔长度越大、阻尼孔直径越小,速度变化得越快;滑车位移随滑车质量、初始碰撞速度、阻尼孔间距、阻尼孔直径的增大而增大,随阻尼孔长度的增大而减小。     

气泡在静水中上升破裂产生射流特性的数值模拟

为了研究不同直径参数对气泡上升、破裂及产生射流的影响,建立了二维旋转数学模型,选用SIMPLEC算法进行数值计算,对单个气泡在静水中运动进行了数值模拟.采用VOF界面几何重构方案,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化,并监测气泡上升速度随时间的变化特性.探讨了气泡在抵达自由液面时的破裂机理以及气泡破裂时产生射流的特性.结果表明:气泡在上升过程中逐步由球形变为椭球状,在到达液面时破裂,并产生射流,随着气泡直径的增加,气泡上升速度逐渐增大,气泡破裂时喷射的射流也越高.     

倾斜放置圆柱体入水流体动力特性实验研究

为了研究倾斜放置的圆柱体垂直入水过程流体动力特性,针对低弗劳德数条件下的圆柱体入水开展实验研究.采用高速摄像技术记录圆柱体入水过程空泡演化以及圆柱体的位置.基于数字图像处理技术,提取圆柱体入水过程的运动轨迹以及倾角变化.对数据进行五阶光滑样条拟合处理,获得圆柱体的速度和加速度,进而开展圆柱体的运动特性和动力特性研究.研究结果表明:倾斜放置圆柱体垂直入水过程形成空泡分离、双空泡等独有的流动现象.圆柱体砰击自由液面后加速度快速增加,并在空泡分离后达到最大值,随后迅速减小并逐渐趋向于0.倾角越大的圆柱体入水后竖直速度衰减越快,而水平速度则快速增加.然而不同初始倾角圆柱体的轨迹均呈现先向迎流方向运动后向背流方向运动的特征.圆柱体的角加速度对水动力的响应非常快,整体呈现先增加后减小的变化特性.初始倾角越大的圆柱体入水后角速度增加越快且达到的最大值也越大,其倾角增加也越快.圆柱体的阻力系数和升力系数在入水后快速增加,而在空泡闭合后增加缓慢,且初始倾角大的圆柱体入水后力系数增加较快.     

钢液内超声空化气泡运动过程模拟

本文研究了的钢液内超声空化气泡的运动过程,即空化气泡壁不断膨胀、收缩乃至崩溃的过程。利用四阶龙格库塔法,并通过Matlab解出公式中关于t与R的数值解,来模拟以超声声压幅值、频率、空化气泡初始平衡半径及k值的变化对钢液内空化气泡运动过程的影响。计算结果说明钢液内的超声处理存在瞬稳态空化转化阀值。在低于和高于瞬稳态空化转化阀值的情况下,各种参数对空化气泡运动过程的影响均有不同的变化。稳态空化下,通过增大R0可在较小的超声波工作频率下,达到超声与空化气泡的共振,从而明显提高空化效果;瞬态空化下,大的Pa、低频、小的R0、大的k值（单原子气体）有利于提高空化效果。在实际的钢液内超声操作时,应根据不同情况调节各种参数配置,以控制空化效果。