气泡粘性对上升运动特性影响的FTM模拟

为了研究气泡粘性对其上升过程的速度、形态以及阻力系数的影响,基于FTM(Front- Tracking Method)模拟了气泡在粘性流体中的运动,通过改变气泡粘性来改变气液粘度比,研究了气泡内的速度分布以及气泡周围粘性剪切应力的分布和变化特点。研究表明：气液粘度比较小时,流场中的粘性耗散很强,气泡的粘度主要影响其平衡速度和形态,气液粘度比较大时,粘性耗散减弱,其平衡速度和形态基本无变化,气泡粘性主要影响气泡内的速度分布;气泡上升过程中的阻力系数随粘度比增大而减小,粘性剪切应力则呈现相反的变化趋势。气泡上升过程中,周围的粘性剪切应力关于中心轴线对称分布,出现最大粘性切应力的区域由气泡两侧逐渐向气泡底部边缘过渡;气泡尾部边缘的形变引起气泡尾部的表面张力不平衡,使得气泡的形态发生改变。     

黏性与非黏性颗粒在流化床中的气泡行为模拟

运用离散单元法对黏性与非黏性D类颗粒在气-固流化床中的气泡行为进行研究,分析了气泡在流化床内的产生、长大过程以及黏性力对气泡产生的影响.结果表明:流化速度将影响气泡的产生,而黏性力的作用将推迟气泡的产生;与非黏性颗粒相比,D类黏性颗粒在流化过程中所产生的气泡尺寸减小,上升速度变慢,气泡周围的压力增大、运动速度减小;另外,气泡周围的压力和颗粒运动速度对黏性力较为敏感.     

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．     

加压溶气气浮气含率分布与气泡聚并规律研究

加压溶气气浮技术是污水除油中常用的高效工艺,气泡的大小和分布对除油效率的影响至关重要。基于相群平衡模型,对溶气气浮器内两相流动及气泡聚并进行数值模拟,并进行实验研究加以验证,建立了气浮器接触区模型,研究了气泡聚并及气含率分布规律,分析了释放头不同气液比和接触区高度对气含率分布和气泡聚并情况的影响。结果表明：接触区气含率随气液比增大而升高,随接触区高度的增加而降低,气泡在上浮过程中会发生聚并使得气泡变大,稳定性变差,同时加快上浮速度,会影响接触区的气含率分布。通过微观模拟发现大粒径微气泡在上浮过程中更容易发生聚并,小粒径微气泡则由于表面张力作用稳定性更强,不易发生变形和聚并。研究结果为溶气气浮气液比的选择和浮选过程气含率和气泡分布的研究提供参考。     

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.     

规整填料内鼓泡流动的二维CFD模拟

规整填料内鼓泡流动现象的研究对于开发新型气液传质与反应设备具有重要的指导作用。为此应用VOF（Volume of Fluid）多相流模型建立了描述规整填料内部鼓泡流动现象的二维模型,模型中考虑了影响气液两相流动的两个重要作用力：表面张力和气液相间作用力。模拟计算结果显示,气泡在上升过程中自身振荡,随着入口气速的增大,气泡形变程度增大,并且伴有气泡聚并现象发生。气泡上升过程中,气泡周围液体的速度增大,并且形成大小不同的旋涡结构,单点速度值的波动程度随气体入口速度的增大而增大。     

不同高径比下气液两相流流场结构的实验研究

气液两相流是好氧曝气过程中产生的一种复杂的气液流动形态,其流型、流态对曝气反应器的运行效率具有重要的影响。本研究使用高速摄影机获得气泡羽流的流场图像,再经图像处理和数值计算来研究气泡羽流的空隙率参数,测得空隙率值在气泡羽流中的分布,并结合羽流摆动频率对不同纵横比下的羽流运动情况进行分析。研究结果表明,当曝气装置纵横比为1.0时,气液两相流的流场分布均匀,频谱稳定,能形成稳定的气液环流,使气泡在液相中的停留时间变长,可以有效地提高氧传质的效率,改善曝气效果。     

多孔泡沫金属内气泡动力学行为的格子波尔兹曼方法模拟

为了研究多孔泡沫金属骨架对气泡上升运动的影响,基于多孔泡沫金属的骨架结构,建立了多孔泡沫金属内气泡动力学行为的物理模型,并利用格子Boltzmann方法(LBM)模拟孔隙尺度下气-液两相流动.考虑多孔泡沫金属内流体间以及流固间的相互作用力,采用多组分单松弛的Shan-Chen模型,模拟气泡在泡沫金属孔隙结构内的运动形态.对含有泡沫金属以及不含泡沫金属的计算区域内气液两相流的密度场进行了比较.实验结果表明:泡沫金属骨架的存在改变了两相流流场,同时使气泡上升过程中边界受到挤压,从而改变气泡的上升速度;随着重力场的增大,流体区域内有序排列的泡沫金属结构可以加快气泡上升速度.     

微膨胀床反应器内气液分布设备性能数值模拟

用VOF数值模型方法,对适用于上流式微膨胀床反应器内的气液分布设备进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了对比。考察了气液分布设备对气液两相的分布作用,包括分布器内的动态流动特征和流动形态。同时考察了气泡的大小、上升速度、压力降随着表观气液速的变化规律。结果表明：(1)选用VOF数学模型,可以清晰准确的模拟出气液分布器的动态流动特性和气液分界面,可以指导气液分布器的优化设计;(2)气泡的上升速度随着表观气速和表观液速的增大而增大;气液分布器出口气泡的直径随着表观气速的增大而增大,随着表观液速的增大而减小;截面平均气含率随着表观气速的增大而增大,随着表观液速的增大而减小;气液分布器的压降则随着表观气速的增大而减小,随着表观液速的增加而增大;(3)相对于表观液速的变化,气液分布器对表观气速的变化敏感度更高,表观气速更影响分布器的工作负荷。     

鼓泡塔板上气泡运动行为的研究

本研究采用探针法测定了大型鼓泡塔上的气泡行为，给出了含气率，气泡直径分布及上升速度随轴向高度的变化关系，报气液流率对气泡行为的影响。     

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.     

利用摄相法研究三相流化床中的气泡行为

利用摄相法研究了二维气－液—固三相流化床中气泡的大小及上升速度，分析了操作条件的变化对气泡行为的影响，提出了气泡直径及气泡上升速度的经验关联式．     

液滴撞击固体表面过程的实验研究

对液滴撞击固体表面的过程进行实验研究,考察液滴的物性和操作条件对撞击过程的影响,结果表明：随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的增大、或撞击速度的减小,液滴的铺展直径、铺展速度和铺展面积均减小;液滴的能量在黏性中的耗散主要发生在撞击的初始阶段,随着液滴黏度的增加、或表面张力系数的减小、或撞击速度的增大,黏性耗散的速率均增加。本文得到的关于液滴雷诺数和韦伯数的关联式可用于预测液滴的最大铺展直径和最大铺展面积。     

底吹中间包气泡运动过程的数模研究

采用VOF模型模拟气泡在钢液中的运动过程,根据计算结果研究气泡的运动特性.结果表明,气泡外形由初始时的球形变为心形,而后逐渐变为椭球帽形;不同气量所产生气泡的直径不同,过小气量不能形成有效气幕;吹气量改变时,气泡运动轨迹也相应改变,小气量下上升轨迹呈螺旋状,中等气量呈现S状路径,较大气量时出现直线上升运动;不同位置上的气泡运动特性完全不同,这与钢液流场分布有密切关系.     

RH真空室内气泡行为的研究

Ruhrstahl-Hereaeus (RH)上升管内的气液两相流是整个装置的重要动力源,并对钢液的流动、混匀及精炼过程有重要影响.上升管及真空室内的气液两相流决定了钢包内钢液的流动状态,为了研究真空室及上升管内气液两相流,通过1∶6的300t RH的物理模型模拟了RH上升管及真空室内气泡行为过程,并测量了RH循环流量的变化用于计算上升管内含气率以及气泡运动速度最终得到气泡在真空室内的停留时间,同时记录了气泡在真空室内的存在形式.气泡在真空室的存在形式的主要影响因素为提升气体流量,研究发现了气泡从规则独立的大气泡经历聚合长大,碰撞破碎成小气泡,最后变成小气泡和不规则大气泡共存的现象.液面高度达到80 mm之后,气泡在真空室内的停留时间达到一个平衡值,不再随真空室液面高度的增加而发生改变.当提升气体量达3000 L·min-1,气泡停留时间减小趋势弱,对应3000 L·min-1情况下,真空室内气泡开始聚合长大.研究认为对于300t RH的真空室液面高度应为80 mm,提升气体量应在3500 L·min-1左右,优化后,脱碳时间由原工艺的21.4 min缩短至现工艺的17.5 min.     

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 .     

螺杆转速和机筒温度对加工聚丙烯的影响

分析工艺条件对螺杆注射加工聚丙烯的影响.在不同螺杆转速和机筒温度条件下,使用有限元法数值计算螺杆头为35°锥角且带止逆环的注射螺杆流道内熔体的三维非等温流场.分析了熔体的温度、剪切应力、黏度和黏性热.研究结果表明,在塑化过程中,当螺杆转速由45 r/min提高到105 r/min时,熔体的最大流速、剪切应力和黏性热分别增大了1.60,0.41,2.00倍.当机筒温度从573 K降低100 K时,塑化时熔体的最大速度减小了0.011 m/s,熔体的最大剪切应力、黏性热和熔体黏度分别增加了1.13,1.15,6.39倍;注射时熔体的最大流速减小了0.359 m/s,熔体的最大剪切应力、黏度和黏性热分别增大了1.32,2.40,1.87倍.     

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。     

两相弹状流中液弹及气泡合并情况的研究

对气液两相弹状流中液弹和气泡合并情况进行了研究．得出最小稳定液弹长度是液弹尾部达到充分发展的速度分布所需的长度．通过对液弹内弥散气泡的统计分析，得出稳定液弹内不存在直径大于５ｍｍ的气泡．借助流动可视化技术，对弹状流中各种尺寸气泡的合并情况进行了描述，得出小气泡之间的合并为二元式合并，而小气泡与大气泡之间的合并是非二元式合并．     

二元泡沫流动性能影响因素研究

通过研究泡沫在多孔介质中的流动性能,考察了发泡剂和聚合物(HPAM)浓度、气液比、渗透率和注入方式等对提高岩芯波及系数、降低渗透率的影响。实验结果表明:泡沫在岩芯中的阻力系数和残余阻力系数均随发泡剂及HPAM的浓度增加而增加,发泡剂、HPAM浓度大于一定值后,泡沫的阻力系数、残余阻力系数增加缓慢;泡沫在不含油岩芯中的阻力系数和残余阻力系数是含油岩芯中的3倍以上;适当增加气液比有利于提高泡沫的流度控制能力,但过大的气液比会出现气窜;同一泡沫体系并不适合改善所有不同渗透率岩芯的流度控制能力,可以通过改变泡沫体系配方来改善泡沫流度控制能力,提前发泡方式注入的泡沫流度控制能力最佳,交替方式注入泡沫的流度控制能力随交替段塞增加而降低。