单个蒸汽气泡溃灭过程的边壁效应数值研究

采用数值模拟的手段,耦合流体体积(VOF)多相流模型和自然空泡模型,通过改变单个蒸汽气泡距竖直固壁和水面的距离,计算了这2类边壁共同作用下的溃灭过程.在溃灭的前期,气泡外形主要受水面边壁影响,呈远离水面向内凹陷的趋势;在溃灭的后期,固壁的影响凸显,凹陷的方向逐渐指向固壁.当气泡离固壁越近,溃灭时间越长;当气泡离水面越近时,溃灭时间越短.对固壁上的压力峰值,气泡距竖直固壁的距离起决定作用.     

流体物性对空化气泡溃灭过程影响研究

文章采用VOF模型,模拟近壁面气泡在流场中的溃灭过程,研究了流体的不同物性(黏性和表面张力)对气泡溃灭过程的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭;因水锤作用,引发高速射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;流体的黏度越大,气泡的溃灭周期越大,射流压强越小;空泡溃灭的周期随液体表面张力的增大而减小,射流压强随表面张力...     

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.     

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。     

液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟

为了揭示高温液态金属熔体中气泡运动规律及其彩响因素，应用VOF方法对单个气泡在液态金属中的运动特性进行了数值计算，得到了与实验数据相符合的气泡变形及上升速度规律；分析预测了表面张力对气泡变形过程的影响及单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹．结果表明，气泡的变形随着奥托斯数的减小而减小；其运动规律是呈螺旋式上升的，容器半径越小、气泡越小，气泡的摆动幅度越大．     

金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究

应用基于体跟踪的VOF方法对金属熔池往复搅拌流场中单个气泡的运动及变形特征进行了数值模拟研究.分析了搅拌流场的往复运动频率、气泡初始尺寸、表面张力以及奥托斯数Eo和莫顿数Mo等因素对气泡运动与变形的影响.数值模拟结果表明,气泡上升轨迹与气泡直径、流场平动频率及Mo有关,气泡直径越大,其螺旋上升趋势越强;在分析范围内,平...     

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。     

单个三维气泡运动的直接数值模拟

采用VOF（Volume—of-Fluid）中的PLIC（Piecewise Linear Interface Calculation）界面重构方法模拟了三维气泡在另一种静止流体中的上升和变形运动;在数值模拟的例子中分别考察了不同黏度和表面张力对气泡在上升过程中的变形及上升速度等的影响．计算结果表明,PLIC界面重构方法可以正确地模拟气泡的变形、破裂等过程．黏性和表面张力在气泡运动过程中的作用可以用Eoetvoes数和Reynolds数来描述．在相同的密度和黏度比的情况下,表面张力越大,则气泡的形状变化越小,上升的速度越快,表面张力起着使气泡保持原状的作用;黏性越小,则气泡在上升过程中射流穿透上表面的时间越早,变形速度越快．     

格子Boltzmann方法模拟空化泡溃灭和微气泡的初生

空化泡溃灭对近壁面的冲蚀是流体力学研究中的重点,新兴的格子Boltzmann方法能很好的从底层描述多相流问题.基于格子Boltzmann Shan-Chen模型,耦合了Carnahan-Starling状态方程和可精确得出外力项的精确差分法,利用无滑移反弹边界处理格式和压力边界条件,完整可视化的模拟了二维流场下单气泡在90°刚性壁面拐角处的溃灭泡形演化,并分析了流场内气泡的动力学行为.发现在特定的入口差压和气泡初始半径条件下,在大气泡的压缩过程中90°刚性壁面拐角处可诱导生成新微气泡,生成的新微气泡伴随着大气泡的进一步压缩而溃灭,溃灭释放的反弹压力冲蚀壁面.刚性壁面的阻滞作用对气泡的变形及溃灭影响很大,会减缓气泡的溃灭时间,抑制气泡振动,而且刚性壁面的阻滞效应整体上也是气泡初始半径R0、气泡泡心到刚性壁面的距离b和入口压力差ΔP等共同作用的结果.微气泡的生成表明刚性壁面夹角处的气泡溃灭会产生复杂的涡旋结构,涡旋可促进其他空化泡的形成.流场内涡旋流动特性应是研究空化效应的又一亮点.     

数值模拟气泡在粘性液体中上升运动的Euler—Lagrange方法

在考虑界面张力的条件下，用边界层方法通过把液体粘性对无粘势流的影响化为修改势流在自由面上边界条件的办法，导出了数值模拟二维气泡在粘性液体中上升和变形的边界积分方法，势流计算采用Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标，粘性修正采用Ｅｕｌｅｒ坐标，边界层近似的误差为δ的三次方量阶。数值模拟结果显示，在大气泡情形，粘性的影响很小，随着气泡尺寸的减小，表面张力和粘性的影响都增强，但与表面张力相比，粘性的影响处于比较次要的地     

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.     

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.     

近刚性圆柱水下爆炸气泡动力学特性研究

针对刚性圆柱附近水下爆炸气泡的动力学特性进行了研究. 基于Navier-Stokes方程结合流体体积法捕捉气液两相界面,建立了数值模型;采用电容器放电产生水下爆炸气泡并用高速摄像机记录了气泡的脉动,并将实验结果与数值模拟结果对比验证了数值模型有效性. 通过数值模拟得到了气泡与刚性圆柱相互作用的流场细节信息. 结果表明:气泡在刚性圆柱附近脉动使得刚性圆柱表面流体介质存在速度梯度,速度较大的流体液层冲击气泡形成不同的气泡形状. 定义了一个量纲一的距离参数来表征气泡与刚性圆柱之间的相对距离,研究了距离参数对射流冲击压力、最大射流速度及气泡型心运动的影响. 随着距离参数的增大,射流冲击压力逐渐减小,气泡内部最大射流速度先增大后减小;气泡型心的偏移随距离参数的增加而减小.      

空泡溃灭过程中力学损伤行为

在电脉冲空蚀实验装置上,设计加装了压电传感系统,成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力,对气泡的溃灭过程进行了描述和解释,验证了气泡的二次溃灭理论.计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况.测量了气泡在距离金属表面不同距离时,空泡溃灭作用于金属表面压强和冲量的大小,两者的变化规律对比分析表明:脉冲放电产生的冲击压和冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致.     

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.     

Effects of surface tension on bubble growth in an extensive uniformly superheated liquid

The study of bubble growth in an extensive pool of liquid provides considerable insight into the mechanisms that play a role in bubble growth near a heated surface and in the cavitation phenomenon. This work focuses on analyzing the effects of surface tension on the growth rate for the thermally controlled stage of a single bubble in such a liquid. The conservation of energy equations, including the internal energy term for the bubble and that within boundary layer around it, are numerically solved. The complete temporal variations of the bubble in water and liquid nitrogen are investigated based on the assumption that the bubble growth is controlled only in sequence by inertia and heat. Thus, the two stages are subject to the continuity of the bubble growth, while the inertia-controlled stage is only formulated by the well-known Rayleigh solution. The thickness of the boundary layer around the bubble is also determined. The results are comparable with the Plesset-Zwick models and Forster-Zuber models, as well as available experimental data. It is found that the influence of internal energy on the rate of bubble growth is small enough to be ignored; however, the accumulative effects of the surface tension are significant and increase with a decrease in the degree of superheat.     

Modeling and Simulation of a Gas-Liquid Coupling Excitation-Induced Cavitation Bubble

A gas-liquid coupling excitation mode is proposed and the gas-liquid excitation experimental system is developed. Air from pulse generator is mixed with liquid,through which the generated cavitation bubbles can strip contaminants adhered to the pipe inner wall rapidly. The kinematics equation of the bubble inside the hydraulic oil is established and the numerical simulations are carried out. The influential factors such as gas pressure, excitation frequency,initial bubble radius and fluid viscosity are analyzed.The results show that the cavitation will evolve from steady state to transient state with the increasing gas pressure and initial bubble radius. The pulse generator frequency has a slightly effect on the growth of the bubble radius,and the breakup time of the bubble is shortened with the rising frequency. Similarly, the increasing viscosity of liquid has minimal impact on cavitation effect,which can weaken the growth and the collapse of the bubble. Moreover,the temperature inside the cavitation bubble is investigated,indicating that the instantaneous temperature inside the bubble increases with the rising gas pressure. Once the gas pressure is raised to a certain value greater than the fluid static pressure, the instantaneous temperature inside the bubble will rise sharply. So, it can be concluded that the gas-liquid coupling excitation-induced cavitation process is controllable, and some theoretical basis of the new excitation mode is presented,which is expected to be applied in the online cleaning of the complex hydraulic system.     

刹管法产生瞬态单一空气泡与氙气泡发光强度的实验测量研究

空化泡内气体对空化泡的产生、生长、崩溃及其发光机理研究有重要意义。基于刹管法,在去离子水与12,丙二醇中通过插不锈钢杆和插毛细管产生瞬态单一空气泡与氙气泡,测量了三种情况下气泡空化发光的强度,拍摄了1,2丙二醇中瞬态单氙气泡空化过程的高速照片。实验结果表明:插杆产生的空气泡的发光强度大于插毛细管产生的空气泡的发光强度,而插毛细管产生的空气泡与氙气泡的发光强度比较接近,瞬态单氙空化气泡接近于球形。分析了这些新现象产生的原因。