舰船气泡尾流数值模拟

摘要：
以韩国船舶与海洋工程研究所(KRISO)的集装箱船KCS（KRISO Container Ship）模型为研究对象,以通用
计算流体力学(CFD)软件FLUENT为平台,进行了基于流体体积（VOF）两相流模型的KCS带自由面黏性流场数值模拟;将自由面固化,对自由面以下水体进行了基于混合物多相流（Mixture）模型的KCS气泡尾流场数值模拟,探讨了Realizable k ε（R k ε）两方程模型和雷诺应力模型对气泡尾流计算的影响.计算所得结果定性正确,验证了与自由面法向速度梯度相关的气泡卷吸模型及相应求解方法的适用性. 关键词：
多相流; 舰船; 气泡尾流; 数值模拟 中图分类号： O 359.1
文献标志码： A     

吹氩钢包内气泡聚并破碎和运动行为

基于Euler-Euler双流体模型及PBM模型,建立了吹氩钢包流场数学模型.此模型考虑了吹氩钢包内气液两相之间的曳力、升力、湍流扩散力和气泡的聚并和破碎等因素.研究了气泡聚并破碎对钢包钢液内含气率、气泡速度和混匀时间的影响,并与定气泡直径下的流场进行对比.数值结果表明:PBM模型的预测值更接近实验结果;钢包内气泡分布为中心区域气泡直径大,从中心到气液边界处气泡直径逐渐减小,气液两相区边界处直径最小;在钢包轴线上气泡速度先急剧增加然后缓慢减小,在接近液面处气泡速度又急剧减小.     

铝电解槽熔体内阳极气泡分布特性的数值模拟

采用欧拉双流体模型与群体平衡模型耦合的方法,考虑阳极气泡影响的修正k-ε湍流模型,对铝电解槽熔体内阳极气泡-电解质气液两相流进行数值模拟,研究不同电流密度下电解质流场、气泡体积分数和气泡尺寸分布等流体力学信息。研究结果表明:极间区域的电解质流动呈局部循环运动形式;电流密度相同时,距阳极底掌面越远,气泡体积分数越低、气泡平均Sauter直径越小;在同一水平高度下,气泡体积分数随着电流密度的提高而增大,气泡平均Sauter直径随电流密度的提高而减小;极间气泡层呈方形分布,中心区域气泡体积分数较高,边缘部分体积分数较低;极间气泡主要以小尺寸气泡为主,而中等尺寸和大尺寸的气泡数量比较少,气泡数量和气泡尺寸之间的关系可以近似看作双曲线分布;气泡体积分率表示的气泡尺寸分布呈3个单峰分布。本文计算得到的气泡分布特性与一系列文献试验结论一致。     

基于LES和D-BPBE方程的舰船尾流气泡聚并研究

基于大涡模拟方法(LES)和经专门修正的气泡群平衡方程(D-BPBE),对舰船尾流中普遍存在的气泡聚并现象进行了数值模拟研究.结果表明:气泡聚并对尾流总气泡数密度的分布(BND)影响不大,但却是影响尾流气含量分布的主要因素;其原因在于气泡聚并主要发生于有大尺寸气泡参与的情形.虽然从数密度而言,大尺寸(500～1 000μm)气泡相对尾流总气泡的比例较小,但它是尾流中气含量的主要载体,因而往往直接决定着气含量沿尾流流向的分布特征.研究同时表明了气含量的分布特征为,近尾流区(约1.8 km内)近似以乘幂形式衰减,远尾流区以线性格式衰减.结论弥补了当前针对舰船尾流的研究一直不能明确气泡聚并在尾流气泡分布中的作用这一根本缺陷.     

多层桨气-液搅拌反应器内局部特性的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法,应用Euler双流体模型、标准的k-ε双方程湍流模型及多重参考系法,并与综合考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸影响的群体平衡模型(PBM)相结合,对多层桨搅拌槽内气-液两相的流场、局部气含率分布、气泡尺寸分布以及局部容积传质系数分布进行了数值模拟。结果表明:在搅拌槽内顶桨与底桨上方靠近壁面处存在气含率和气泡尺寸分布的极大值,与实验结果相吻合;容积传质系数的模拟结果与实验值的相对误差为15%。     

具有蒸发喷雾过程的大涡数值模拟

采用大涡数值模拟方法对不同气体密度条件下无蒸发和有蒸发燃油喷雾进行了数值模拟,重点研究喷雾形状、喷雾贯穿距离以及粒子索特平均半径的预测值与计算网格的相关性以及亚网格脉动速度对喷雾过程的影响.计算公式采用单方程亚网格湍流模型、ETAB破碎模型和基于粒子云的碰撞模型.在有无蒸发两种喷雾条件下贯穿距离和索特平均半径的预测值与实验值吻合较好,并实现了预测值与计算网格无关性.亚网格脉动速度对喷雾贯穿距离和索特平均半径影响较小,但是影响喷雾形状和粒子分布.具有蒸发的喷雾贯穿距离与无蒸发喷雾情况类似,但是由于蒸发作用,索特平均半径预测值表现出波动现象.     

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...     

MEXICO风力机整机流场与载荷特性分析

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对MEXICO(Model EXperiment In Controlled c Onditions)风力机模型非偏航工况下的流场和载荷特性进行稳态数值模拟研究.采用周向平均方法取出计算得到的流速的轴向、径向和切向分量,并分别将其与试验值进行对比分析,计算值和试验值吻合较好,计算结果可靠.从叶片截面周围流线和叶片表面压力分布两个角度确定了叶片表面流动分离的位置,随半径增大分离点位置向后缘移动.对叶轮尾流中涡量分布的分析表明,3个叶片通道的涡量分布近似对称,尾流中涡量逐渐衰减,稳态模拟中塔架对尾流流动影响较小.此外还分析了叶轮叶片所受载荷,得到了载荷沿径向分布规律,载荷特性可为风力机气弹性能分析提供依据.     

基于大涡模拟方法和修正的气泡平衡方程的舰船尾流气泡聚并研究

基于大涡模拟方法(LES)和经专门修正的气泡群平衡方程(D-BPBE),对舰船尾流中普遍存在的气泡聚并现象进行了数值模拟研究。结果表明:气泡聚并对尾流总气泡数密度的分布(BND)影响不大,但却是影响尾流气含量分布的主要因素;其原因在于气泡聚并主要发生于有大尺寸气泡参与的情形。虽然从数密度而言,大尺寸(500~1 000μm)气泡相对尾流总气泡的比例较小,但它是尾流中气含量的主要载体,因而往往直接决定着气含量沿尾流流向的分布特征。研究同时表明了气含量的分布特征为,近尾流区(约1.8 km内)近似以乘幂形式衰减,远尾流区以线性格式衰减。结论弥补了当前针对舰船尾流的研究一直不能明确气泡聚并在尾流气泡分布中的作用这一根本缺陷。     

波浪作用下墩柱结构物涂层界面气泡演化规律

为研究波浪低频往复冲击作用下墩柱结构物浪溅区涂层的力学剥蚀因素,分析波浪周期、波高和气泡直径对涂层剥蚀的影响,基于ABAQUS/Standard分析模块,建立了考虑波浪周期、波高和气泡直径的三维数值模型,模拟了波浪作用过程中结构物/涂层界面的气泡损伤演化过程。结果表明：涂层界面气泡应变和影响范围与波高的关系为线性正相关,且基本不受波浪周期的影响,但波浪周期越小,其波浪力作用的频率越快,并在周期时达到最大值;应变和影响范围随气泡直径的增大而增大,而气泡直径越小,其应变分布（椭圆的形状）越规则,波高越大、周期越短、气泡直径越大,气泡越容易破裂,墩柱结构物的涂层越容易被剥蚀。     

垂直管道内层流泡状流运动的多流体模型

常用的描述泡状流运动的双流体模型采用一个平均尺寸对气相进行描述。不同尺寸气泡的运动和受力不同。当气泡尺寸分布范围较大时 ,不宜采用双流体模型描述泡状流。根据气泡的尺寸划分气相 ,采用时间平均法建立了描述垂直管道内层流泡状流运动的多流体模型。通过对气泡在流场中的运动和受力分析 ,给出了用以封闭模型的粘性应力、脉动应力、相间动量交换项的表达式。利用模型对具体实验进行了预测 ,模型预测值与实验值的比较结果表明采用多流体模型能够预测气泡尺寸范围较大的泡状流     

双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽气液分散特性的数值模拟

采用基于气泡聚并和破碎机理的群体平衡（PBM-MUSIG）模型,对双层半圆管盘式涡轮桨搅拌槽内的气液分散特性进行了数值模拟;考察了不同通气量和操作转速下气液搅拌槽内流体流动,局部气含率和气泡尺寸的分布规律。模拟结果表明：通气工况下搅拌槽内的液相流场具有双循环流动形式;采用PBM-MUSIG模型预测的局部气含率分布与文献实验数据吻合较好;搅拌槽内气泡尺寸随转速增加而减小,随气量增加而增大;桨叶排出流区域内气泡尺寸较小,近壁区和循环区内气泡尺寸较大。     

微孔介质上气泡形成规律的研究

用激光测试技术对微孔介质上气泡形成规律进行了研究。实验结果表明,在微孔介质上所形成气泡的 Ｓａｕｔｅｒ平均直径随通气量的增大而减小;液相中盐或醇的引入使形成的气泡直径明显减小。使用不同模型的计算结果表明,单一孔上气泡形成模型难以描述微孔介质上气泡形成规律。为了描述微孔介质上气泡形成过程,不仅要考虑孔径减小带来的影响,而且要考虑操作条件及体系性质的变化对实际生成气泡的“有效孔”数目及当量直径等因素的影响。     

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。     

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。     

电磁搅拌钢包内气泡聚并破裂行为

结合气液两相流欧拉模型与考虑气泡破碎聚并的颗粒群平衡模型,研究了电磁搅拌下底吹钢包内流场分布及气泡尺寸分布.结果表明:搅拌器向上搅拌时钢包内形成一个大循环流场,而向下搅拌时钢包内形成了一个大的回流区和一个小的回流区.钢包内气泡分布为气液两相区中心区域气泡直径最大,气液两相区边界处直径较小,且从气液两相区中心到气液边界气泡直径逐渐减小.电流越大,气液两相区域在垂直方向上偏转程度越大,而且电流越大,气液两相区中心大气泡分布区域也越大.电磁搅拌器向下搅拌时气液两相中心区域大气泡直径分布区域小于向上搅拌.大气泡偏转程度小于小气泡,大气泡偏向钢包中心轴线一侧.     

连铸结晶器内气泡群粒径分布的实验研究

为了获得结晶器内的气泡粒径及其分布规律,建立了一套水模型实验系统.为模拟真实上水口的吹氩过程,采用莫来石制作水模型的环状吹气装置,利用激光片光源和高速摄像机捕捉气泡的瞬时分布,并采用Image J软件分析和计算气泡的粒径.结果发现:气泡平均粒径随水流量、水口插入深度的增加而增大,随吹气量、水口倾角的增大而减小;莫来石弥散砖产生的气泡初始粒径较小且分布均匀.气泡粒径在结晶器宽面一侧水平方向上呈先增大后减小的趋势.随水流量的增大,气泡分布更加分散;随吹气量的增加,气泡分布规律无明显区别,但粒径增大.     

表面活性剂对中尺度气泡形状及速度的调控研究

为了有效调控中尺度气泡的行为,在纯水中通过添加不同浓度的3种表面活性剂实验研究了气泡上升过程中的形状与速度的变化.在一个方截面柱形容器内生成了4种中尺度气泡,再利用高速摄影仪记录了气泡的瞬时运动过程,通过图像处理软件分析了气泡的形状和速度.结果表明,由于Marangoni效应,适量的表面活性剂可以有效抑制中尺度气泡的变...