稀土电解槽熔盐润湿性对气泡影响的数值模拟

为研究稀土熔盐电解槽中熔盐对碳阳极的润湿性对阳极表面气泡的形状和脱离大小等的影响,针对稀土熔盐电解槽中石墨阳极的表面特性,利用计算流体力学软件Fluent,采用CLSVOF(Coupled Level Set and Volume of Fluid Method)界面追踪方法分别对润湿角为15°、25°、35°、45°和55°的阳极表面气泡的生成过程进行模拟研究.模拟出了不同润湿性熔盐的阳极表面气泡生长变形过程,结果表明:润湿角越大气泡脱离阳极表面孔口时体积越小,但其脱离后仍然吸附在阳极表面没有脱离,不利于气泡排除,容易造成阳极效应.     

激光制备润湿性梯度Janus网对水下气泡的单向自发运输

特殊润湿性表面的水下气泡操控因在工业生产中具有潜在的应用而受到极大关注.通过激光烧蚀、表面化学修饰、修饰剂去除、热板退火调控润湿性等工艺制备了润湿性梯度可控的Janus网,并通过监测水下气泡单向自发运输的动态过程,研究了该Janus网表面润湿性及微孔尺寸对水下气泡单向自发运输的影响.结果表明:Janus网上下表面为超疏水/亲水、疏水/亲水或超疏水/疏水时,均具有气泡单向自发输送能力;微孔尺寸越小、上下表面间润湿性梯度越大越有利于气泡单向自发运输.此外,对气泡单向自发运输的物理机制和影响因素进行分析,为梯度润湿性金属网的制备提供了理论依据.     

泡沫油运动形态的可视化研究

委内瑞拉Orinoco地层油复杂的“泡沫油”流动特征在油藏开发及实验室研究中受到高度重视,不同压力下的泡沫油微观形态研究对探寻渗流机理尤为重要。低于泡点压力时泡沫油表现出复杂的形态变化,实验利用可视化模型观察和分析了气泡的形成、生长过程、合并和分裂现象,并发现气泡通过孔隙时具有独特的运移特征：当气泡接近和通过孔喉时,运移速度明显加快。不同直径的气泡伴随有变形、翻转和吸附等形式。对模型表面粗糙度、孔隙大小、气泡尺寸等因素进行分析后,发现气油比是影响气泡数量的关键因素,但其不是气/液界面相互作用的主要因素。气泡的产生及运动过程受压降和重质组分的双重作用,高沥青质、胶质含量决定了泡沫油的渗流特征。     

同轴两个气泡融合特性的数值研究

为了进一步研究气泡融合特性以及开发高效的界面追踪程序,以PLIC界面重构技术为基础,采用不分裂算法计算了目标网格向周围26个网格的输运流量;采用统一的表达式计算输运流量,大大降低了程序编写的难度.将PLIC算法与气液两相流动控制方程相结合,数值计算了直径为0.8～14 mm的单个气泡的最终运动速度,模拟结果与文献中的实验结果吻合良好.研究了同轴两个气泡的融合过程,发现表面张力很大时,两个气泡近似独立运动,不发生融合;表面张力很小时,气泡容易发生破碎;气泡发生严重破碎时,尾部气泡会从顶部气泡的轴心穿过;液体黏度与表面张力对气泡融合时间的影响不是单调的.     

气泡碰撞极端湿润性表面的行为特性

为提高极端润湿性表面的功能性,制备了超亲水、超疏水高粘附、超疏水低粘附3类极端湿润性表面,利用高速摄像机对不同上升高度下的气泡碰撞极端湿润性表面进行了行为特性研究,所用气泡当量直径分别为2.16、2.59、3.32 mm.研究发现,表面湿润性、气泡上升高度(L)和气泡当量直径(D)对气泡行为特性有着重要影响,表面微观结构和表面张力是影响气泡在表面稳定状态的最为关键的因素.当气泡碰撞超疏水低粘附表面时,先振荡或弹跳,最后在表面铺展成一层气膜;碰撞超亲水、超疏水高粘附表面时,气泡先振荡或弹跳,最后以球缺状的形式静止在表面上.气泡碰撞表面速度较大时,气泡在3类表面上都会发生弹跳行为,其初次弹跳高度(h_1)随着L增大先增大后减小,在L为13.6 mm时均达到极值,分别为6.05、5.53、4.37 mm.对超疏水低粘附表面而言,随着气泡直径的增大,气泡在碰撞过程中的能量耗散增加,因此h_1逐渐下降,气泡发生铺展的时间逐渐缩短.     

表面活性剂作用后的固体润湿性

通过考察经石油磺酸盐(PS)浸泡后的载玻片与油、水的接触角以及经石油磺酸盐浸泡后的云母片的表面形貌,研究表面活性剂作用后的固体润湿性。结果表明:对于亲水固体,经低质量浓度的石油磺酸盐作用后,其上因石油磺酸盐单分子层吸附而发生润湿性反转,而经高质量浓度的石油磺酸盐作用后,其上因石油磺酸盐双分子层吸附而保持水湿性,同时其润湿性达到稳定的时间随石油磺酸盐温度的升高而缩短;对于亲油固体,经低温高质量浓度的石油磺酸盐作用后,其润湿性难以改善,而经高温低质量浓度的石油磺酸盐作用后,其润湿性易因油湿性物质脱附而反转,但若此后该溶液继续作用,石油磺酸盐则会在新固体表面发生单层吸附,令其再次亲油;要高效利用表面活性剂改善润湿性,需要综合考虑表面活性剂浓度、温度以及作用时间的影响。     

鼠李糖脂气浮处理含油废水的研究

不同浓度的生物表面活性剂鼠李糖脂在气浮过程中对单个气泡和气泡群特征有影响,因此利用高速摄像仪记录了气泡瞬时运动过程,并用图像分析软件分析了表面活性剂浓度对气泡上升速度和气泡尺寸分布的影响.结果表明,在一定浓度范围内表面活性剂的浓度越大,气泡上升的终端速度越小.并且表面活性剂的浓度到一定程度时,气泡上升的终端速度变化不大.加入生物表面活性剂鼠李糖脂后,气泡的平均尺寸趋向于减小,气泡尺寸大小分布均一.气/水表面张力最低时,添加生物表面活性剂鼠李糖脂的质量浓度为0.5 wt.％,并且在这个表面活性剂质量浓度下对含油废水利用生物絮凝剂壳聚糖进行气浮-絮凝实验,在pH为7,壳聚糖的投加量20 mL,气浮时间10 min下含油废水的COD去除率可达到90.39％.因而生物表面活性剂鼠李糖脂和生物絮凝剂壳聚糖处理含油废水切实可行,这对环境保护和人类的健康生存具有极其重要的意义.     

水环境下甲烷在不同润湿性石英表面吸附行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究水环境下石英表面润湿性对甲烷在石英狭缝中吸附行为的影响。结果表明:对于亲水性较强的石英表面,水分子优先吸附于石英表面,甲烷分子在狭缝中心发生团聚;而疏水性较强的石英表面,甲烷分子优先吸附于石英表面,水分子在狭缝中心发生团聚;当石英表面为中性润湿时,石英表面对这两种分子没有表现出优先选择性吸附。水、甲烷与不同润湿性石英表面的相互作用能表明,水/固相互作用是水环境下甲烷在石英狭缝中吸附构型改变的主要驱动力。     

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。气泡脱离直径和脱离时间随着接触角增加而增加,亲水表面气泡脱离直径随着有限热源长度增加而增加,脱离时间随长度增加而减小。疏水表面气泡脱离直径与有限热源长度无关,脱离时间随加热长度增加小幅度减小。在不同的过热度下,亲水壁面气泡脱离直径随着过热度增加而增加,脱离时间随着过热度增加而减小。过热度对疏水壁面气泡脱离直径影响不大,但是随着过热度增加,脱离时间明显减小。模拟结果为研究强化表面沸腾传热及表面润湿性的选择提供理论依据。     

气体润湿性评价方法综述

理论和实验证实凝析气藏多孔介质表面润湿性由液湿性转变为优先气湿可显著提高气井产量,且气湿程度对气井产量影响较大。但是由于气体具有较强的压缩性,传统的液湿性定量评价方法((USBM法和Amott法))不适用于气体润湿性评价。通过理论分析和润湿性实验研究,整理并提出了气体润湿性评价的新方法:停滴法、气泡捕获法、表面能法、毛细管上升法。首次提出应用停滴法和气泡捕获法分别建立了气湿性定量评价的方法,确立了气湿性定量评价指标,为气湿性理论研究奠定了基础。     

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。     

近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理研究

近自由面水下爆炸气泡的动态特性非常复杂,研究其与破损结构的耦合作用机理对于发挥武器的二次攻击毁伤能力具有重要的意义. 基于耦合欧拉-拉格朗日方法,建立了近自由面水下爆炸模型,讨论了（不）完整直角结构近自由面水下爆炸过程中气泡的动态特性,揭示了近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理. 首先建立近自由面水下爆炸模型,将气泡形态、最大半径、周期等仿真结果与实验数据对比,验证数值模型及计算方法的有效性. 探究了完整和破损结构的存在对近自由面水下爆炸气泡动态特性的影响,发现结构与自由面的共同作用使得气泡出现射流偏折、水冢一侧凹陷和气泡破碎等现象. 结果显示破口尺寸参数γ在0.070~0.085区间内,气泡在结构一侧将形成倾斜射流,破口尺寸的增大对射流的头部宽度、头部速度和倾斜角度呈现明显的正向影响.      

基于FTM的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟

多气泡运动在各个工程领域广泛存在。为更好的研究不同形状的多气泡上升过程,采用界面追踪法（FTM, Front Tracking method）对四种具有不同初始形状的双气泡上升情形进行二维数值模拟。模拟结果表明,两竖直分布的气泡上升时,上部气泡的尾流会使下部气泡的速度更快;气泡的初始形状对气泡上升的速度和变形都有影响,圆形气泡相较于椭圆形气泡,上升速度更小;下部气泡为椭圆形时,上部气泡的变形更大。     

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.     

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.     

近水面水下双气泡耦合作用数值模拟

为研究近水面水下双气泡耦合作用过程,基于LS-DYNA软件开展了近水面水下单、双气泡数值模拟.通过利用高速摄影技术获得的试验结果与仿真结果进行对比验证,证明了本文数值模拟模型的有效性.通过对数值模拟结果进一步分析,得到了该过程的气泡最大半径、膨胀时间以及由气泡形态分析得到耦合作用过程.结果表明,近水面水下双气泡耦合作用过程并非两个单气泡的简单叠加,其横向收缩速度比单气泡慢,气泡到达最高点时间与单气泡相比有1 ms延迟,融合气泡膨胀过程融合,收缩过程中顶端两侧向斜下方凹陷.     

基于相群平衡模型的舰船气泡尾流数值模拟

为了获得舰船气泡尾流中的气泡尺度分布规律,首先采用欧拉双流体模型（Euler Two Fluid Model）中的单一气泡模型对集装箱船模型KCS（KRISO Container Ship）进行了数值模拟.然后将气泡分组,进行基于相群平衡模型（Population Balance Model）的数值模拟.获得的气泡数密度和体积分率等气泡分布特征后,通过对索特平均直径的分析,探讨了初始平均气泡直径的选取和气泡尺寸分组等因素对气泡尾流的影响.结果表明：大气泡将聚集在船体表面;自由面则以小气泡为主.ETF模拟可以作为PBM计算的初值.当初始化的均一气泡直径取值越接近索特平均直径,PBM计算越容易收敛.     

Nonlinear Bubbling and Micro-Convection at a Submerged Orifice

IntroductionThe behavior of bubbles,especially theirformation,interaction and coalescence,are of keyimportance in such fields as gas- liquid contact,gas- liquid separation,bubble absorption,bubblecolumns,fermentation,cavitations,etc. Theinduced fluid moti…     

固定汽泡周围的温度场分布

为估计M arangon i对流和自然对流对汽泡周围流场的影响,对加热面朝上和朝下的不同大小和过冷度的汽泡周围温度场进行了测量。通过比较测量所得温度场和带N av ier-S tokes方程的数值模拟结果可知,在完全没有浮升力时,M arangon i流会使得流场呈现一个向下的类似于射流的形状,但有了浮升力,向下的流动会立刻转向上,在加热表面附近形成涡流。即使加热面朝下,这种浮升力引起的自然对流依然影响整个流场,以至于这个系统不能很好地表现在微重力条件下的汽泡周围的流场。     

崂山气泡洞特征及与天然石臼的联系

作为中国东部A型花岗岩带的一部分,青岛崂山花岗岩岩体上不仅发育众多开口向上的天然石臼,还存在众多开口侧向的大型气泡洞,利用立体镜分别观察人工作用、风化作用、水动力作用等不同成因岩石的表面微观特征,通过与气泡洞洞壁岩石表面特征对比发现,大型气泡洞洞壁表面无外力作用的痕迹,初步认定这些大型洞穴属于原生气泡洞。崂山花岗岩岩体上天然石臼周围经常伴生众多的小型晶洞,两者之间可能存在某种必然的联系,这种联系可以为研究崂山晶洞花岗岩原生环境提供新的依据。