气液两相流中气泡周围电场特性研究

针对均匀电场作用下的气液两相系统建立了数学模型，研究了单个及多个气泡附着于壁面、即将脱离和上升至两极板间的电场分布情况．结果表明，气泡周围电场的强弱及其分布的均匀性是影响气泡运动的重要因素．当大量气泡出现并有部分气泡脱离壁面时，电场对气泡的作用减弱，这为高热流密度下电场强化沸腾换热效果不再明显提供了理论依据。     

电场作用下单气泡行为的数值模拟

为了解电场强化沸腾换热的机理,分析了单气泡在电场作用下的行为特点.通过求解不可压缩流体的连续性方程,加入电场力的动量方程和VOF(volume of fluid)方程,得到了单气泡在电场下从壁面脱离的过程.结果发现,气泡在电场下脱离时间变短,并沿着电场方向伸长.气泡内部流动加剧,形成多个涡.结果表明,电场作用下气泡的行为特点产生显著的变化.     

不同工质中气泡在电场作用下的变形

研究在外加电场作用下,不同介电常数的工质对强化沸腾换热的影响,分析了苯、R11、乙醚和乙酸乙酯4种工质在池沸腾换热中,气泡附着于壁面时的电场分布特性及气泡所受的电应力.结果表明:随着工质介电常数的增加,气泡表面场强分布的不均匀性增加,其所受电应力分布愈不均匀,导致气泡形变量加剧,甚至造成破裂.     

电场对注入气泡和沸腾汽泡影响的研究

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪拍摄了注入氮气气泡和R123工质沸腾汽泡在直流电场作用下的实验图像,并对气泡脱离壁面时的形态进行了定量分析.实验结果表明,注入氮气气泡和R123沸腾汽泡在电场作用下形状发生了显著变化,电场强度越大,气泡的形状变化也就越明显,并且电场对沸腾汽泡的影响更为显著.此外,注入氮气气泡和沸腾汽泡的脱离体积在电场作用下也发生了变化,随着电场强度的增大,脱离体积有减小的趋势,且冷态注入氮气汽泡的体积在电场作用下的变化较沸腾汽泡明显.     

均匀电场作用下气泡变形的研究

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪拍摄了气泡在不同场强作用下的实验图像,并对气泡脱离壁面时的形态进行了定量分析.实验结果表明,电场作用下气泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,气泡的脱离长径比增大,变形量增大.并对气泡界面所受的电应力进行了计算,计算结果显示,气泡变形是由于气泡受到电应力的作用,电应力在赤道方向压缩汽泡,在极轴方向拉伸气泡,使得气泡沿场强方向变细变长.     

电场作用下单气泡行为的可视化

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像机研究了绝热条件下注入到静止变压器油中的氮气泡在电场作用下的行为。获得了在不同电场作用下气泡形态成长的实验图像,并分析了电场作用下气泡的长径比、脱离体积和脱离周期随电场的变化关系。实验研究表明:随着电场强度的增大,气泡的长径比变大,脱离体积变小,脱离周期变短。电场中气泡行为的改变主要取决于电场强度和电极距离。外电场作用促进了注入气泡从小孔的脱离。     

电场作用下单气泡行为的可视化

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像机研究绝热条件下注入到静止变压器油中的氮气泡在电场作用下的行为,获得了在不同电场作用下气泡形态成长的实验图像,并分析了电场作用下气泡的长径比、脱离体积和脱离周期随电场的变化关系。实验研究表明:随着电场强度的增大,气泡的长径比变大,脱离体积变小,脱离周期变短。电场中气泡行为的改变主要取决于电场强度和电极距离。外电场作用促进了注入气泡从小孔的脱离。     

电场对沸腾汽泡影响的实验研究

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪对沸腾汽泡在电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究.实验观察到电场作用下汽泡生长的动态图像.研究结果表明,电场作用下汽泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,汽泡的脱离长径比增大,汽泡脱离壁面时的椭球外形更加明显;随着场强的增大,汽泡的脱离体积减小.分析了汽泡行为的变化对电场强化沸腾换热的影响.     

基于混合热格子Boltzmann方法有限热源加热气泡动力学模拟

为探究不同润湿性表面单气泡动力学特性,通过引入差分方法的单组分多相格子Boltzmann模型,耦合能量方程构成了气液相变模型,模拟了不同润湿性表面单气泡形成过程周围流场与温度场细观,阐述了气泡生长脱离机理;研究了润湿性、过热度、有限热源长度对气泡动力学影响.结果表明,在相同过热度下,疏水壁面气泡生长速度大于亲水壁面.气...     

竖直狭缝通道内水沸腾换热的气泡动力学研究

为加深对狭缝通道内水沸腾换热机理的探索,对宽度为2 mm、长度为300 mm的竖直狭缝通道内水沸腾气泡动力学展开研究,通过数值模拟的方法探索气泡生成、长大和脱离的过程,分析了壁面过热度、泡底微层的运动对沸腾换热的影响,并与实验数据进行了对比.数值计算中考虑了重力、表面张力和壁面黏附作用.研究结果表明:表面张力在细通道沸腾换热过程中所起的作用要远远大于重力;壁面过热度越高,气泡脱离直径越大;随着加热时间的增加,气泡直径d不断增大,当d≥1.5mm时,就会受到来流的影响而发生形变;泡底微层的存在加速了壁面对流,对换热系数的提高有一定作用;数值模拟结果与实验数据吻合良好.     

气泡碰壁反弹的动力学模型研究

为了解气泡与壁面相互作用的物理机制和详细动力学过程,对气泡与壁面碰撞反弹的动力学过程进行了分析,综述了理论模型的发展过程,并采用所建立的理论模型进行数值求解.当毫米级气泡以一定速度垂直撞击壁面时,气泡与壁面之间存在一层液膜,该液膜呈现多种形状.气泡的变形会改变薄膜内压强的分布,形成薄膜排水过程.气泡在与壁面作用的过程中会反弹多次直至动能被完全消耗.在建立的动力学模型中,液膜厚度分布由Stokes-Reynolds方程描述,液膜内压强由Young-Laplace方程求得,在气泡的轨迹模型中引入了由液膜内压强引起的壁面诱导力.结果表明:描述液膜厚度及膜内压强的SRYL模型能够捕捉薄膜变化的动力学行为,基于薄膜润滑近似的壁面诱导力模型可以较好地预测气泡多次反弹的运动轨迹,壁面诱导力在气泡撞击壁面的过程中对气泡运动起主导作用;随着气泡尺寸和雷诺数的增大,气泡的反弹次数会逐渐增加,气泡是否反弹以及反弹次数与雷诺数有着直接的关系.      

T型微通道内气液两相流数值模拟

采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.     

电场中气泡在换热表面上的变形及对沸腾换热影响

从电场分布的角度，研究了换热表面上气泡在电场力作用下的变形规律和气泡变形影响EHD(electrohydrodynaInics)强化沸腾换热的机理．电场分布决定了气泡在电场力作用下的变形方式，如果换热表面的电场强度高于周围液体或电极的电场强度，则气泡受拉伸作用：反之，气泡受压制作用．热边界层的存在会减小电场力对气泡的拉伸作用，增强电场力对气泡的压制作用，但不会改变气泡的变形方式，气泡在换热表面上无论是被拉伸还是被压制，都能使沸腾换热得到强化，但两者的强化换热机理不同。     

制冷工质R11池沸腾换热气泡行为的可视化研究

采用可视化实验技术对压力为0.1MPa的条件下、制冷工质R11池沸腾气泡行为进行了深入观察和分析．可视化实验结果表明，气泡底部微液层的蒸发对气泡的生长具有极其重要的作用．在气泡生长过程中，未发现气泡底部的微液层有液体补充．研究结果表明，随着壁面过热度的升高，气泡脱离直径与脱离时间减小，而气泡脱离频率升高．此外，通过对实验图像资料的分析，得到了气泡直径及气泡底部干斑直径随时间的变化曲线以及沸腾表面汽化核心密度随热流变化的关联式．基于实验结果，利用动态微液层模型对制冷工质R11的池沸腾曲线进行了预测，结果显示，预测值与实验值在高热流密度条件下符合较好．     

均匀电场对池沸腾换热的影响分析

对均匀高压电场作用下平板池沸腾换热的强化效果进行了试验研究,发现在较低过热度的范围内电场对换热有明显的强化效果.场强越高,相同过热度对应的换热系数越高.在相同的场强下,强化系数随着热流密度的增加而减少.结合试验结果对电场强化沸腾换热的机制进行了分析.在热流密度较小的范围内,对流换热占主导地位,电场强化对流换热使壁面过热度大大下降,导致相应过热度下汽泡的平衡半径提高,因此,抑制了核态沸腾.随着热流密度的提高,汽泡的产生和运动成为影响换热的主要因素,此时过热度的变化不是很大,在相同的过热度下,电场可以减小汽泡的临界半径,使汽泡增多.在汽泡准备区,电场会影响汽泡的核化;在汽泡成长区,电场会影响汽泡的长大、变形和脱离;在非沸腾区,电场会影响单相流体的自然对流换热.     

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.     

同轴式微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响规律

微细气泡的生成时间和大小对污水处理的效率具有重要影响。为探究微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响,采用两相流水平集的方法模拟研究不同接触角下微细气泡的生成过程。以接触角为主变量,液体流量、气体压强和气体类型为次变量,探究次变量对微细气泡生成时间和脱离体积的影响。设计并制造了同轴式微流控芯片,开展微细气泡生成特性的试验。结果表明接触角在0-180°递增时,微细气泡的生成时间总体呈下降趋势,脱离体积先增加后减小,其中90°接触角为生成时间的分界点和脱离体积的峰值点。此外,三个次变量中液体流量的变化对微细气泡生成特性的影响尤为显著,液体流量越大,其生成时间和脱离体积越小。实测值与仿真值的偏差在正负百分之十以内,验证了微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响规律。     

带孔刚性壁对水下爆炸气泡特性影响研究

基于Autodyn对近带孔刚性壁气泡脉动及水射流现象进行模拟,将气泡运动分为破孔射流击穿气泡和壁面射流击穿气泡两种情况,分析破孔半径、爆距、装药量对气泡运动特性的影响.针对气泡的射流速度、压力、脉动周期、中心位移等参数进行分析,发现减小破孔半径对于破孔射流起增益作用,增大爆距对壁面射流起减益作用,并与近无孔刚性壁气泡及水射流特性进行对比,发现同种工况下带孔刚性壁壁面射流压力、速度峰值及气泡脉动周期均小于无孔刚性壁情况.      

气泡在含障碍物微通道内的特性研究

采用气液两相流格子Boltzmann方法研究含障碍物的微通道内气泡在浮力作用下上升的特性,主要研究了障碍物润湿性对气泡的变形、分裂、合并等行为的影响.研究发现当障碍物表面亲气时,气泡穿过障碍物时会发生严重变形,并有部分气泡吸附在障碍物表面.因此,气泡会发生分裂.部分留在障碍物表面形成一层均匀的气膜,部分可以顺利穿过障碍物,而障碍物吸附的气泡质量和壁面润湿性相关.当障碍物表面亲水时,尽管气泡在障碍物的挤压下发生严重变形,但在气泡通过障碍物的过程中,气泡和障碍物之间仍然有4个左右网格的距离,因此,全部质量的气泡可以顺利通过障碍物.此外,研究结果还表明障碍物表面亲气程度越强,气泡变形越严重.     

气泡生长的界面质点受力法模型与实验研究

基于Lagrange思想提出一种界面质点受力法模型用于描述气液界面的动态演化过程,该模型将气液界面离散成一系列的质点,对各质点建立受力模型及其运动方程,通过各质点运动轨迹的求解获得动态演化的气液界面.应用此模型对水下壁面开孔注入不凝性气体气泡的动态生长过程进行了数值模拟研究,预测了气泡的脱离直径和脱离时间.建立可视化实验台,进行了3种不同开孔孔径和10组不同充入流量的气泡生长实验,对模拟结果进行了验证分析.研究结果表明,质点受力法对气泡生长过程形状演化、脱离直径和脱离时间的计算结果均与相同工况实验结果吻合很好,从而验证了该方法的有效性.