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.     

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。     

基于格子Boltzmann方法的空泡溃灭过程模拟

针对自由边界的三维空泡溃灭问题,以格子Boltzmann方法为流场核心求解器,结合伪势多相流模型与Carnahan-Starling(C-S)状态方程,开展了定压边界条件下,不同温度、初始溃灭半径的三维空泡溃灭过程的模拟研究．通过模拟给出了空泡溃灭过程中流场的两相界面图,并定量分析了三维空泡溃灭时间随着半径变化的关系．结果表明：在定压强边界下,空泡的初始半径与总溃灭时间呈线性相关,且不同温度、不同初始半径的空泡溃灭具有相似的过程;相同温度条件下,空泡溃灭速度随时间不断增加,空泡初始半径越大,空泡溃灭速率最大值出现的时间越晚;对于相同半径条件下,温度比越大,空泡溃灭最大速率出现的时间越晚．     

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.     

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．     

空化泡崩溃对近壁面的作用

空化泡在超声波的作用下其半径变化规律已经被实验所证实,如文献[1]。笔者在此基础上应用流体力学方法计算了超声空化泡在刚性壁面附近崩溃时对刚性壁的作用。计算表明,所得结果能很好地解释超声空化破碎薄铝箔的实验现象。     

热物理模型对空化泡崩溃末期第一次闭合特性的影响

通过理论证明和数值计算,研究了不同的热物理模型对空化泡崩溃末期的各种特性参数的影响。结果指出,随着多方指数γ的增加,合外力功和动能的最大值逐渐降低,泡内最大温度值逐渐增加,最大压力值却是逐渐降低的;在空化泡崩溃闭合点,合外力功、动能以及半径到达最小值,同时温度和压力达到最大值,五者均具有同时刻性;空化泡被压缩至初始半径值点R=R0,该点是合外力功和动力的最大值所对应的驻点半径,同时,该点也是等温过程与绝热过程的分界点,空化泡从膨胀至最大半径然后被压缩至初始半径R=R0时刻为止的这段时间内是属于热力学等温过程,然后,空化泡从被压缩至初始半径开始到空化泡第一次崩溃闭合点即最小半径R=Rmin时刻为止,该过程是属于动力学绝热过程;对于泡内气体为空气的空化泡在同一空化过程中,在不同阶段分别采用不同的热物理模型,在热力学等温过程期间多方指数取γ=1.0,在动力学绝热过程期间多方指数取γ=1.3～1.4之间较为合理。     

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。     

超声强化近临界CO_2流体萃取的机理

借助近临界CO2流体中超声空化阈值的基本计算,首先理论上探讨了近临界CO2流体中超声空化阈值随空化泡核初始半径的变化规律,然后应用该规律判断超声能否在近临界CO2流体中产生空化现象,从而揭示超声强化近临界CO2流体萃取的机理.结果表明:近临界CO2流体中超声阈值随空化泡核初始半径的增大而减少,即在其他条件相同的情况下,空化泡核初始半径较大时,超声在近临界CO2流体中产生空化现象相对容易;当近临界CO2流体温度20 ℃、压力5.82 MPa时,超声能在近临界CO2流体中产生空化现象,此时超声强化近临界CO2流体萃取的机理包含空化效应和机械效应;相反,当近临界CO2流体温度20 ℃、压力8 MPa时,超声不能在近临界CO2流体中产生空化现象,此时超声强化近临界CO2流体萃取的机理仅包括超声波的机械效应.     

单双泡空化噪声计算分析

基于由单双泡动力学方程和Lighthill方程创建起来的单双泡空化噪声模型,通过Matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的初始半径、双泡间距、声压幅值、超声频率、双频超声等因素对空化噪声的影响.计算及分析结果表明:在相同的初始条件下,单双泡的空化噪声曲线有不同的形态,双泡产生的空化噪声远大于单泡;对于单泡,空化泡的初始半径、声压幅值、超声频率、双频超声对空化噪声均有影响,其中空化泡初始半径和声压幅值的影响最为显著,在双频条件下,两声压分量幅值相等时单泡空化噪声达到最大.对于双泡,初始半径和声压幅值对空化噪声影响很大,而超声频率和双频超声对空化噪声的影响几乎可以忽略.     

气-液-固三相磨粒流旋流流场分析及加工实验研究

针对现有流体加工方法中加工效率低、易出现工件表面各区域加工纹理不均匀的问题,提出一种气-液-固三相磨粒流抛光加工新方法.基于Realizable k-ε湍流模型和Mixture模型,建立气-液-固三相磨粒流抛光加工数值模拟模型.数值模拟结果揭示了气-液-固三相磨粒流形成的高速湍流涡旋流场动力学特性,同时也发现了磨粒流流场中磨粒和微气泡的运动及分布规律,得到较优适用于气-液-固三相磨粒流抛光加工磨粒流入射角度设计参数,并设计出实验抛光工具.经过1h的实验加工后,与无微气泡条件的液固两相流抛光加工对比,气-液-固三相磨粒流抛光加工的工件表面相同区域的粗糙度值更低,纹理也更为均匀.上述研究结果表明:气-液-固三相磨粒流的流场特性提高了磨粒和微气泡运动的无序性及微气泡溃灭的概率,且磨粒流中的微气泡溃灭所释放的能量提高了磨粒的抛光加工效率.     

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...     

超临界CO2流体中空化泡共振频率的分析

为了探索超声强化超临界CO2流体中空化泡的共振频率特性,根据Rayleigh-Plesset方程推导出了空化泡共振频率随空化泡初始半径、流体压力和温度的变化规律.结果表明:超临界CO2流体中空化泡的共振频率随空化泡的初始半径增大而减小;随流体压力的增大先减小后增大,在流体压力约为18 MPa时达到最低值;并随流体温度的升高而增大.在相同的初始半径下,超临界CO2流体中空化泡的自然共振频率高于其在水中的自然共振频率.超声波频率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.      

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.     

非线性超声场中医用微泡的空化预测研究

以两种常见医用微泡的实验材料为计算参数,利用修正的Rayleigh-Plesset方程,对粘滞流体中不同半径的医用微泡在非线性超声波驱动下的空化行为进行了数值仿真.结果表明:一定驱动声频下,声压越大,医用微泡的空化概率越大,且向半径减小的方向移动,其空化概率受微泡材料参数影响也较大;同时,声作用周期个数越多,空化概率越大.当声作用周期个数增到一定数量时,其空化概率达到饱和.     

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.     

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.     

空泡半径非线性变化的空化模型及应用

为了提高Schnerr-Sauer空化模型模拟空化流动的能力,基于Rayleigh-Plesset方程和均相流假设建立了一种考虑空泡半径随时间非线性变化的空化模型.联立滤波器湍流模型,分别采用该非线性空化模型和原始Schnerr-Sauer模型对绕二维Clark-Y翼型空化流进行了非定常数值计算,得到了时均化升阻力系数随空化数的变化曲线、云空化时空泡周期性演变及其沿弦长方向速度分布规律.与其他的实验结果进行对比分析,结果表明:采用该非线性模型计算得到的时均化升阻力系数与实验值符合程度更好,并能较准确地捕捉升阻力系数在不同空化阶段的变化规律;该非线性模型能准确地模拟翼型尾缘空化云的成长、脱落和溃灭的全过程,且能更准确地模拟翼型尾流的速度场.     

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.